Universidad de La Salle Universidad de La Salle

Ciencia Unisalle Ciencia Unisalle

Ingeniería en Automatización Facultad de Ingeniería

6-15-2018

Configuración de una red inalámbrica para medición de variables Configuración de una red inalámbrica para medición de variables

climáticas en agricultura protegida climáticas en agricultura protegida

Laura Vanessa Barraza Combita Universidad de La Salle, Bogotá

Nicolás Humberto Hernández Zabala Universidad de La Salle, Bogotá

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CONFIGURACIÓN DE UNA RED INALÁMBRICA PARA MEDICIÓN DE

VARIABLES CLIMÁTICAS EN AGRICULTURA PROTEGIDA

LAURA VANESSA BARRAZA COMBITA

Código 45102019

NICOLÁS HUMBERTO HERNÁNDEZ ZABALA

Código 45102008

UNIVERSIDAD DE LA SALLE

FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA EN AUTOMATIZACIÓN

BOGOTÁ D.C.

2018

II

CONFIGURACIÓN DE UNA RED INALÁMBRICA PARA MEDICIÓN DE

VARIABLES CLIMÁTICAS EN AGRICULTURA PROTEGIDA

LAURA VANESSA BARRAZA COMBITA

NICOLÁS HUMBERTO HERNÁNDEZ ZABALA

Monografía para optar por el título de

Ingeniero en Automatización

Director

PEDRO FERNANDO MARTÍN GÓMEZ, Ph.D.

UNIVERSIDAD DE LA SALLE

FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA EN AUTOMATIZACIÓN

BOGOTÁ D.C.

2018

III

Nota de aceptación

__________________________________

__________________________________

__________________________________

__________________________________

__________________________________

_________________________________

Firma Asesor

Ph.D. Pedro Fernando Martín Gómez

_________________________________

Firma del jurado

Ph.D. Jorge Eliécer Rangel Díaz

_________________________________

Firma del jurado

M. Sc. José Luis Rubiano F.

Bogotá D.C. Junio 15 de 2018.

IV

DEDICATORIA

A Dios y a nuestras madres Marelby Combita y Esperanza Hernández, quienes

lucharon desde el primer momento por permitirnos cumplir nuestras metas.

A nuestras abuelas María León y Elvia Zabala, quienes han sido el motor de

nuestro hogar y una motivación para cumplir nuestros sueños.

V

AGRADECIMIENTOS

A Dios, por darnos salud para culminar esta etapa.

A Sebastián Combita por su apoyo incondicional. Nunca dejes de preguntar.

A Leonardo Medina, por su interés y su solidaridad con nuestros proyectos.

A Jonathan Díaz por acompañarnos desde el inicio de este camino.

A Miguel Angel Rojas, por su interés y compañía en el desarrollo de este proyecto.

A Pedro Martín Gómez, por la experiencia y el conocimiento brindado para

finalizar este proyecto.

Agradezco a mi papa, por acompañarme a pesar la distancia. A mi familia, mis tíos

y mi hermano quienes me acompañaron desde el inicio de este proceso y están

conmigo en su culminación. A mi abuela quien es un ejemplo de perseverancia y

persistencia en mí vida. A mi mamá por motivarme diariamente y hacer de mí una

mejor persona, por su esfuerzo y dedicación.

LAURA VANESSA BARRAZA COMBITA.

Agradezco a mi familia, por creer en este proyecto. A Ana Julia Hernández por

luchar incansablemente por permitirme cumplir este sueño, a Roberto Hernández

y Humberto Hernández por hacer de esto una meta familiar. A mis tías Estela,

Mariela, Nelly y Mercedes, en quienes siempre encontré apoyo en los momentos

de dificultad. Agradezco a mi abuela Elvia, quien me motivo desde niño a ser

profesional. A mis primos Sebastián y Felipe por quienes siempre voy a luchar, a

mis primas Mónica, Laura y Alejandra a quienes siempre voy a cuidar. A Aura

Velasco, por creer en mí y motivarme diariamente, por ser parte de mi familia. A

Paola Hoyos, por motivarme cuando dudaba en iniciar este proyecto y apoyarme

incondicionalmente en la toma de esta decisión.

NICOLAS HUMBERTO HERNÁNDEZ ZABALA.

VI

TABLA DE CONTENIDO

PRELIMINARES ................................................................ ¡Error! Marcador no definido.

GLOSARIO ........................................................................................................................... 1

RESUMEN ............................................................................................................................ 3

INTRODUCCIÓN ................................................................................................................. 4

1. MARCO TEÓRICO ...................................................................................................... 6

1.1 AGRICULTURA PROTEGIDA .............................................................................. 6

1.1.1 Objetivos del cultivo protegido ...................................................................... 7

1.1.2 Tipos de protección ......................................................................................... 7

1.1.3 Invernaderos .................................................................................................... 8

1.1.4 Tipos de invernaderos .................................................................................... 9

1.2 VARIABLES DE ESTUDIO ................................................................................. 10

1.3 TECNOLOGÍAS INALÁMBRICAS ..................................................................... 12

1.3.1 Tecnologías de comunicaciones................................................................. 12

1.3.2 Tecnologías de localización......................................................................... 14

1.3.3 Tecnologías de identificación ...................................................................... 15

1.3.4 Marco legal ..................................................................................................... 17

1.4 SISTEMA DE INFORMACIÓN ........................................................................... 18

1.4.1 Componentes de un sistema de información ........................................... 19

1.5 BASE DE DATOS ................................................................................................. 21

1.5.1 Modelos de bases de datos ......................................................................... 21

2. DISEÑO ....................................................................................................................... 23

2.1 REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA ................................................................. 24

2.2 VARIABLES CLIMÁTICAS A MEDIR ................................................................ 26

2.2.1 Temperatura ................................................................................................... 26

2.2.2 Humedad ........................................................................................................ 26

2.2.3 Luminosidad ................................................................................................... 27

2.3 HARDWARE DEL SISTEMA .............................................................................. 27

2.3.1 Arduino ............................................................................................................ 28

2.3.2 Tarjeta de comunicación inalámbrica Xbee .............................................. 30

VII

2.3.3 Shield Xbee .................................................................................................... 32

2.3.4 Sensor de temperatura y humedad DHT11 .............................................. 33

2.3.5 Sensor Luminosidad BH1750 ...................................................................... 34

2.4 TIPO DE RED ........................................................................................................... 34

2.4.1 Topología de red ........................................................................................... 36

2.4.2 Dispositivos ZigBee....................................................................................... 38

2.5 CONFIGURACIÓN DE DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS .......................... 39

2.6 DISEÑO BASE DE DATOS ................................................................................ 43

2.7 DESARROLLO EN SOFTWARE ....................................................................... 47

3. INTERFAZ ................................................................................................................... 58

3.1 FORMULARIOS .................................................................................................... 58

3.1.1 Formulario de inicio ....................................................................................... 58

3.1.2 Formulario configuración toma de datos ................................................... 59

3.1.3 Formulario registro de invernaderos .......................................................... 60

3.2 PÁGINA WEB ........................................................................................................ 61

3.2.1 Página de inicio ............................................................................................. 63

3.2.2 Páginas de usuario ....................................................................................... 65

4. VALIDACIÓN DEL SISTEMA .................................................................................. 72

4.2 COSTO DE IMPLEMENTACIÓN ....................................................................... 82

5. CONCLUSIONES ...................................................................................................... 83

RECOMENDACIONES ..................................................................................................... 85

BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................. 86

ANEXOS.............................................................................................................................. 88

VIII

LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Tipos de invernaderos. 9

Tabla 2. Características en frecuencia y velocidad ZigBee 17

Tabla 3. Temperaturas para el desarrollo del cultivo de rosas. 26

Tabla 4. Humedad relativa óptima para el cultivo de rosas. 26

Tabla 5. Puntos de saturación y cantidad de luz. 27

Tabla 6. Características de selección de sensores. 28

Tabla 7. Ventajas uso de Arduino. 29

Tabla 8. Controlador Arduino uno. 29

Tabla 9. Ventajas y limitaciones tarjetas Xbee. 30

Tabla 10. Características Xbee S2. 31

Tabla 11. Características sensor de temperatura y humedad DHT11. 33

Tabla 12. Características sensor y cultivo de rosas. 33

Tabla 13. Características sensor de luz BH1750. 34

Tabla 14. Comparación ZigBee, Bluetooth y Wi-Fi. 36

Tabla 15. Configuración Controlador Arduino Uno. 40

Tabla 16. Configuración sensor BH1750. 40

Tabla 17. Configuración sensor DHT11. 41

Tabla. 18. Datos y tipo de datos. 44

Tabla 19. Normalización de la base de Datos. 46

Tabla 20. Organización tabla Invernadero. 47

Tabla 21. Relación sectores y coordenadas. 49

Tabla 22. Tiempo de muestreo dado por lo sensores. 50

Tabla 23 Datos obtenidos realizando pruebas de campo. 76

Tabla 24 Temperatura Anemómetro vs DHT11 77

Tabla 25 Humedad relativa Anemómetro vs DHT11 78

Tabla 26 Luminosidad, Luxómetro vs BH1750 79

Tabla 27. Tabla de costos puesta en marcha del sistema. 82

IX

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Invernadero para agricultura protegida. ................................................... 6

Figura 2. Acolchado negro en cultivo de fresón...................................................... 8

Figura 3. Túnel alto. ............................................................................................... 8

Figura 4. Ejemplo red tipo WLAN. ........................................................................ 13

Figura 5. Modelo general de un sistema. ............................................................. 18

Figura 6. Sistema de información básico .............................................................. 19

Figura 7. Componentes de un sistema de información. ........................................ 20

Figura 8. Tecnologías de la información............................................................... 20

Figura 9. Etapas de diseño. ................................................................................. 24

Figura 10. Requerimientos del sistema. ............................................................... 25

Figura 11. Shield para el microcontrolador (Rourters). ......................................... 32

Figura 12. Shield para el computador (Coordinador). ........................................... 32

Figura 13. Capas modelo de referencia OSI. ....................................................... 35

Figura 14. Topologías de red. .............................................................................. 37

Figura 15. Red ZigBee tipo estrella. ..................................................................... 37

Figura 16. Disposición de la red tipo estrella para cultivo de rosas. ..................... 38

Figura 17. Topología X-CTU. ............................................................................... 39

Figura 18. Modelo de configuración de dispositivos electrónicos. ........................ 39

Figura 19. Configuración coordinador de la red. ................................................... 41

Figura 20. Configuración de Xbee emisor. ........................................................... 42

Figura 21. Circuito electrónico (PCB). .................................................................. 43

Figura 22. Diagrama de conexión dispositivos electrónicos. ................................ 43

Figura 23. Entidades de la base de datos. ........................................................... 45

Figura 24. Relación entre entidades y atributos. .................................................. 46

Figura 25. Ejecución del desarrollo de software. .................................................. 47

Figura 26. Dimensiones y distribución de la nave del invernadero. ...................... 48

Figura 27. Distribución largo, ancho y alto de la nave. ......................................... 49

Figura 28. Grafica 2D. .......................................................................................... 51

Figura 29. Plano 3D, capas interiores. ................................................................. 51

Figura 30. Plano 3D, capas externas. .................................................................. 52

Figura 31. Sentencia para conexión Matlab con MS SQL Server. ........................ 53

Figura 32. Captura de voltaje de prueba con Arduino por el puerto serial. ........... 53

Figura 33. Código de programación controlador. ................................................. 54

Figura 34. Código de programación Matlab ......................................................... 54

Figura 35. Mapa de temperatura 2D utilizando el comando colormap y plano de

tendencia de temperatura para el sector. ............................................................. 55

X

Figura 36. Plano de tendencia Luminosidad. ....................................................... 55

Figura 37. Mapa climático 3D, niveles separados. ............................................... 56

Figura 38. Mapa climático 3D, método Spline cubica. .......................................... 57

Figura 39 Conexión entre base de datos y Matlab. .............................................. 57

Figura 40. Formulario de inicio. ............................................................................ 59

Figura 41. Formulario toma de datos. .................................................................. 60

Figura 42. Formulario registro de invernaderos. ................................................... 61

Figura 43.Mapa de navegación aplicación web. ................................................... 62

Figura 44. Ejecución de la página desde Visual Studio. ....................................... 63

Figura 45. Diseño módulo de inicio de sesión. ..................................................... 64

Figura 46. Mensaje de error al ingresar datos no autorizados o falsos. ................ 64

Figura 47. Página de bienvenida de la aplicación. ............................................... 65

Figura 48. Configuración inicial de usuario ........................................................... 66

Figura 49. Página de registro de invernaderos ..................................................... 67

Figura 50. Página de modo automático y despliegue de pestañas. ...................... 68

Figura 51. Página modo automático, pestaña datos............................................. 69

Figura 52. Página modo automático, pestaña: gráficas. ....................................... 70

Figura 53. Página modo automático, pestaña 3D. ................................................ 70

Figura 54. Página modo manual. ......................................................................... 71

Figura 55. Página de consultas previas................................................................ 71

Figura 56. Modelo de validación del sistema. ....................................................... 72

Figura 57. Módulos de medición en los tercios de la planta. ................................ 74

Figura 58. Base de Dispositivos electrónicos. ...................................................... 74

Figura 59. Coordenadas por sectores en una nave. ............................................. 75

Figura 60. Posición de sensores por sector. ........................................................ 75

Figura 61 Temperatura anemómetro 3650 vs DTH11 .......................................... 77

Figura 62. humedad relativa anemómetro vs. DHT11 .......................................... 79

Figura 63 Luxómetro Metek vs BH1750 ............................................................... 80

Figura 64. Comportamientos variables de temperatura, humedad y luminosidad. 80

Figura 65 Invernadero Corpoica_2 2018-03-10 11:09 ........................................ 104

Figura 66. Invernadero Corpoica_2 2018-03-10 11:02 ....................................... 104

Figura 67. Invernadero Corpoica_2 2018-03-10 10:55 ....................................... 105

Figura 68. Invernadero Corpoica_2 2018-03-10 10:48 ....................................... 105

Figura 69. Invernadero Corpoica_2 2018-03-10 10:28 ....................................... 106

Figura 70 Grafico 2D temperatura Corpoica_2 2018-03-10 ................................ 106

Figura 71 Grafico 2D Humedad relativa Corpoica_2 2018-03-10 ....................... 107

Figura 72 Grafico 2D luminosidad Corpoica_2 2018-03-10 ................................ 107

Figura 73 Grafico 3D temperatura Corpoica_2 2018-03-10 ................................ 108

Figura 74 Grafico 3D Humedad relativa Corpoica_2 2018-03-10 ....................... 108

XI

Figura 75 Plano eléctrico dispositivo de medición. ............................................. 112

Figura 76. Tarjetas electrónicas dispuestas en el circuito PCB. ......................... 113

Figura 77. Distribución en base de medición de los módulos electrónicos. ........ 114

Figura 78 Código del controlador e indicador de nivel. ....................................... 115

Figura 79. Adquisición y visualización de datos. ................................................ 116

Figura 80. Formulario de ingreso al sistema. ..................................................... 117

Figura 81. Configuración inicial para adquisición de datos ................................. 117

Figura 82. Registro de invernadero. ................................................................... 118

Figura 83. Página de condiciones para adquisición. .......................................... 119

Figura 84. Página de visualización de la información. ........................................ 120

1

GLOSARIO

Agricultura protegida

Es la manera de desarrollar cultivos mediante el control de variables externas tales

como la luz la temperatura, el agua y los fertilizantes, logrando así que la

producción de alimentos sea más productiva, todo esto sin importar el estado del

tiempo o las estaciones, el cultivo se mantiene. (Lara Cortés, 2016)

Base de datos Es un sistema computarizado para llevar registros, es posisble consederar la base de datos como un armario electtronico, para archivar. (Date C. , 2000)

Comunicación Inalámbrica

Es aquella donde la información no se transmite a través de un cabe. El estándar

IEEE 802.11 hace referencia a las capas de acceso al sistema y fisca para la

comunicación inalámbrica. (Cisco, 2008)

Interfaz Dispositivo que permite la interacción entre la persona y la máquina o dispositivos que se encuentran en un proceso. (Fernández Alarcón, 2006) Mapa Climático

Es el seguimiento del clima en diferentes niveles espaciales, donde se muestran

los valores absolutos o las rarezas de una medición de variables tales como

temperatura, precipitación, humedad, entre otras variables que afectan un

ecosistema. (Ideam, 2014)

Microclima

Es el clima específico de una zona de la tierra que no es igual con el de las zonas

aledañas, se pueden generar microclimas debido a que existen zonas protegidas.

(Pastor, Escobar, & Mayoral, 2014). Se considera un microclima artificial a los que

son causados por factores como los gases emitidos en ciudades o con la creación

de un microsistema con diferentes fines, algunos tales como la producción

agrícola, en donde están los invernaderos o habitaciones climatizadas y en donde

se encuentra un microclima particular, ajustado a la necesidad del medio de

producción.

2

Circuito impreso o PCB (Printed Circuit Board)

Placa de circuito impreso o PCB en inglés, es una tarjeta utilizada para realizar el

emplazamiento de los distintos elementos que conforman el circuito y las

interconexiones eléctricas entre ellos. (Wakerly, 2001)

Protocolo El protocolo de comunicación engloba todas las reglas y convenciones que deben seguir dos equipos para poder intercambiar información. (Aquilino, 2012) Sistema de Información

Un sistema de información (SI) es un conjunto de elementos orientados al

tratamiento y administración de datos e información, organizados y listos para su

uso posterior, generados para cubrir una necesidad o un objetivo, son una

combinación de tres partes principales: las personas, los procesos del negocio y

los equipos de tecnologías de la información. (Dostál, 2007)

3

RESUMEN

Teniendo en cuenta las características de los cultivos protegidos, se establecieron

las variables micro-climáticas que permitían ser medidas con sensores de fácil

configuración e implementación y que al mismo tiempo su información fuera de

vital importancia para los cultivos. En este caso se seleccionaron: Luminosidad, la

cual permite reconocer si está llegando la cantidad adecuada de luz a las plantas,

o si, por el contrario, el plástico del invernadero se ha deteriorado a tal punto de

mitigar la entrada de luz al recinto; Temperatura, la cual permite reconocer si el

cultivo se encuentra en condiciones óptimas o si se debe modificar la cantidad de

aire que ingresa con el fin de permitir o evitar la salida del aire caliente contenido

dentro del recinto; para mantener las condiciones de equilibrio térmico que

favorecen el desarrollo del cultivo. Por último, la variable de humedad relativa la

cual le permite al encargado buscar las mejores condiciones para promover el

crecimiento de la planta especialmente para fertirriego. Se implementó una red

con topología tipo estrella, por medio del protocolo Zigbee apoyado en las tarjetas

de comunicación inalámbrica Xbee S2 Con estas variables se pueden construir

adecuadamente los mapas climáticos básicos iniciales, ya sean en dos o en tres

dimensiones.

4

INTRODUCCIÓN

En Colombia el área cultivada para el año 2016 fue de 5’121.508 hectáreas, de

acuerdo a la ENA (Estadística, 2016) , en un total de 26 departamentos

encuestados. De esta área aproximadamente 1´659.369 hectáreas corresponden

a cultivos agroindustriales. No todos los cultivos en Colombia pueden estar bajo la

protección de invernaderos, pero algunos cultivos que si lo están son las hortalizas

y las flores.

Colombia es un país que cuenta con tres cordilleras y diferentes pisos térmicos,

que posee variaciones climáticas constantes, lo que impide la sostenibilidad y

productividad del sector agrícola. Por esta razón, se requiere protección para

cultivos bajo invernaderos, con el fin de garantizar el control y monitoreo de

variables climáticas al interior, de tal manera que sea favorable el rendimiento en

la producción, consiguiendo así una mejor calidad en los productos. Este sistema

de producción, ha sido indispensable para cultivos de flores y su comercialización

en el país. Según Asocolflores para el año 2013 la cantidad de hectáreas

cultivadas en flores bajo invernadero en Colombia fue aproximadamente 6800 ha

(Superintendencia de industria y comercio, 2014). En general la producción de

hortalizas crece en los siguientes rangos de acuerdo a la tecnificación del

invernadero: invernaderos de baja tecnología es de 120 (t/ha), en rangos de

tecnología media de 200 a 250 t/ha, y en la alta tecnología hasta 600 t/ha

(Miniserio de Agricultura, 2015)

Según el DANE para el año 2004, en Colombia la producción de flores representó

el 14% del total mundial (ROLDÁN, 2010); lo que obliga a los productores a

mantener altas tasas de producción y calidad para sostener un ritmo de

competencia mundial. Teniendo en cuenta estas razones, además de proteger los

cultivos mediante la implementación de invernaderos, se debe mejorar la

producción; optimizando diferentes aspectos entre los que se encuentra el

monitoreo de los microclimas en el interior de estos espacios, debido a la gran

cantidad de área involucrada en los cultivos de invernadero y su sensibilidad a

variaciones climáticas.

Como indica el Boletín tecnológico “Tecnologías relacionadas con invernaderos

para flores”, la producción bajo invernadero no es lo único que garantiza la

producción eficiente y con calidad en los cultivos (Superintendencia de industria y

comercio, 2014). Para lograr estas características en la producción, se debe

realizar un monitoreo y control por medio de la intervención de variables como la

humedad, temperatura, ventilación y luminosidad. Los factores críticos que

influyen en los cultivos a nivel colombiano son; la baja ventilación junto con la alta

humedad relativa, generando como resultado un constante ataque de hongos a las

5

flores. Para evitar estos ataques se deben establecer estrategias eficientes de

monitoreo, ya que de este dependerán directamente las estrategias de control a

implementar para el manejo de las variables climáticas al interior del invernadero.

6

1. MARCO TEÓRICO

1.1 AGRICULTURA PROTEGIDA

La agricultura protegida nace como la necesidad de hacer cultivos productivos, en épocas del año donde la producción de estos no es posible, debido a cambios radicales de clima o las estaciones, se inició por tener un control básico de la temperatura evitando excesos dentro de los cultivos y así lograr un clima interno constante. Con el transcurrir del tiempo la agricultura protegida se ha convertido en una herramienta útil para la mejorar los cultivos en cuanto a rendimiento, tiempos de producción y calidad del producto, todo esto logrado a través de un espacio interior controlado de los fenómenos externos tales como precipitaciones, oleadas de calor, entre otros que afecten el cultivo. (Barrios Capdeville, 2004). Este tipo de prácticas son benéficos para los grandes productores ya que genera un ambiente más limpio, trabajo continuo en épocas lluviosas, además de prevenir daño producto de animales o anomalías ambientales. En la figura 1 se observa un tipo de invernadero para agricultura protegida. Figura 1. Invernadero para agricultura protegida.

Fuente: (Barrios Capdeville, 2004)

7

1.1.1 Objetivos del cultivo protegido

El objetivo principal de los cultivos protegidos es modificar el entorno natural, mediante técnicas diversas, para alcanzar una óptima productividad de los cultivos, aumentando la producción, mejorando la calidad, alargando los periodos de recolección y extendiendo las áreas de producción. La radiación solar es uno de los motivos para proteger los cultivos, esto se logra a través de sombreo además de proporcionar protección del viento, del granizo o de la lluvia, mediante esto se logra el mayor aprovechamiento del suelo en cuanto a energía, agua, nutrientes y espacio y también los recursos climáticos como la temperatura, la humedad y el aire (Castilla, 2007). Entre otros objetivos se encuentran también:

Reducir las necesidades de agua por medio de los diferentes tipos de acolchados (arena, grava, etc.) de tal manera que la pérdida de agua por evaporación disminuya, además restringir el crecimiento de malas hierbas que consumen gran parte del agua.

Proteger los cultivos de las bajas temperaturas mediante las cubiertas, además para ello se utiliza máquinas de viento o calefactoras que se emplean de acuerdo con la situación climática del cultivo.

Reducir la velocidad del viento mediante cortavientos con estructuras de materiales naturales (caña seca, bambu, etc.) o artificiales como túneles o invernaderos.

Limitar el impacto de climas áridos y desérticos, permitiendo crear microclimas aptos para el cultivo.

Reducir las plagas, enfermedades, malas hierbas, pájaros y otros predadores.

Extender las áreas de producción y los ciclos del cultivo mediante el uso de invernaderos y túneles, alargando así la presencia de productos fuera de época.

1.1.2 Tipos de protección

En general todos los cultivos tienen condiciones ambientales específicas para su buen desarrollo, por ello el exceso de exposición a algunas de ellas (temperatura, humedad, radiación solar, velocidad del viento, precipitación, etc.) pueden afectar todo el cultivo o parte del mismo. Debido a esto, la cubierta determina el nivel de protección que tiene el cultivo, cuando la cubierta se coloca en el suelo se dice que es una protección lateral como se puede ver en la Figura 2 y cuando la

8

cubierta se coloca por encima de las plantas se denominan protecciones tipo invernadero o túneles como se muestra en la Figura 3. Figura 2. Acolchado negro en cultivo de fresón.

Fuente: (Castilla, 2007) Figura 3. Túnel alto.

Fuente: (Castilla, 2007)

1.1.3 Invernaderos

Un invernadero permite generar un microclima, para el cultivo continuo independientemente de las estaciones o las condiciones climáticas. Además, permite mantener el cultivo en producción constante durante todo el año.

9

1.1.4 Tipos de invernaderos

Los tipos de invernaderos varían de acuerdo con sus estructuras, así como de los materiales para la cubierta, los sistemas de instalación, así como los niveles técnicos, a nivel de montaje, acondicionamiento, servicio técnico y mantenimiento que requiera el cultivo, En la Tabla 1 se muestran algunos tipos de invernaderos usados en la actualidad. Tabla 1. Tipos de invernaderos.

TIPO DE

INVERNADERO

CARACTERÍSTICAS

VENTAJAS

IMAGEN

Capilla

Caracterizado por la forma de la cubierta por arcos curvos semicirculares.

*Buena ventilación.

*Buen reparto de

luminosidad.

*Buen drenaje.

*Permite unir varias

naves.

*Fácil instalación.

Góticos

Se diferencia del tipo capilla en el diseño de los arcos, siendo estos de tipo ojival, permite albergar un mayor volumen de aire, proporcionando un mejor microclima e iluminación interior.

*Eficacia

de fijación del

plástico de cubierta

(buena

hermeticidad).

*Montaje rápido.

*Mayor entrada

de luz.

*Mayor ventilación.

*Permite

realizar labores

agrícolas

mecanizadas en su

interior.

Túnel

No tiene paredes rectas, siendo la estructura totalmente curva desde el punto

*Mejor capacidad

de control del

clima que el

invernadero plano.

10

de fijación en el suelo hasta la cumbrera. La forma de los arcos curvos.

*Instalación de

sistemas

de climatización.

*Buena

luminosidad.

*Reduce la

condensación y el

goteo de agua.

Malla Sombra

Los invernaderos malla sombra constan de las estructuras más simples dentro de los diferentes tipos de invernaderos.

*Más barato y

sencillo.

*Gran adaptabilidad

a la geometría del

terreno.

*Uniformidad

luminosa.

Fuente: (Agricolas, 2016)

1.2 VARIABLES DE ESTUDIO

Se entiende el clima como el grupo de condiciones atmosféricas que cambian constantemente, se caracteriza adicionalmente por el comportamiento y avance del estado del tiempo, todo esto en un lugar y periodo de tiempo determinados. Los factores que intervienen en el clima pueden ser lluvia, humedad, viento, temperatura, presión atmosférica, entre otros. Por otro lado, los factores geográficos que pueden afectar el clima son la altitud, la distancia a la que se encuentra el mar, los ríos y la vegetación, por mencionar solo algunos, teniendo en cuenta el lugar de medición. Los factores climáticos se entienden como las propiedades o condiciones que se presentan en la atmósfera y que, al observarlas de manera grupal, definen el clima de un lugar determinado en donde estas son observadas en un periodo de tiempo que ofrece representatividad. Estos factores se conocen como las variables climáticas y son en este caso las que intervienen directamente en el crecimiento del cultivo que se tenga protegido en un invernadero. Siendo de esta manera necesario buscar las mejores condiciones climáticas en el recinto destinado para el propósito de producción. De esta manera se desarrolla en su interior un microclima debido a que existen zonas protegidas en el cultivo (Pastor, Escobar, & Mayoral, 2014; Andrea Pastor, 2014) en la tabla 2, se presentan las variables climáticas y su unidad de medida con el fin de determinar a partir de esta los sensores que se encuentren en el mercado para realizar las mediciones para este evento de manera apropiada.

11

Tabla 2. Tipos de variables climáticas.

VARIABLE CLIMÁTICA

UNIDAD DE MEDIDA

DEFINICIÓN

Insolación Langley (Ly) Se define como la energía en forma de radiación solar que llega a un punto específico de la tierra en un periodo de tiempo determinado.

Temperatura del aire

Grado Celsius (°C), Grado Fahrenheit (°F), Kelvin (K).

Magnitud escalar que mide la cantidad de energía térmica del aire.

Presión atmosférica

Bar, Pascal. Presión que ejerce la atmósfera sobre la superficie de la Tierra.

Velocidad del Viento

Metros por segundo (m/s)

Corriente de aire que se produce en la atmósfera al variar la presión.

Precipitación

Milímetros cúbicos por metro

cuadrado. (𝑚𝑚3

𝑚2 )

La lluvia es la precipitación de partículas líquidas de agua, de diámetro mayor de 0,5 mm o de gotas menores, pero muy dispersas.

Humedad

Porcentaje (%) mide la cantidad de agua en el aire en forma de vapor, comparándolo con la cantidad máxima de agua que puede ser mantenida a una temperatura dada

Luminosidad Lux Intensidad de la luz es el número de lúmenes que caen sobre una superficie y se formula como lux.

Fuente: (Pastor, Escobar, & Mayoral, 2014) Las variables climáticas tienen diferentes medios de medición, en la tabla 3 se encuentran relacionados los equipos que son comúnmente utilizados para realizar la medición de estas variables. Tabla 3. Equipos de medición de variables climáticas.

VARIABLE CLIMÁTICA EQUIPO DE MEDICIÓN

Insolación Heliógrafo

Temperatura del aire Termómetro infrarrojo

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Presión atmosférica Barómetro

Velocidad del Viento Anemómetro

Precipitación Pluviómetro

Humedad Higrómetro

Luminosidad Luxómetro

Fuente: (Pastor, Escobar, & Mayoral, 2014)

1.3 TECNOLOGÍAS INALÁMBRICAS

En la actualidad la tecnología inalámbrica hace referencia al uso de dispositivos sin cables en cualquier momento y en cualquier lugar. Para esto ha sido necesaria la implementación de estándares para comunicar sistemas informáticos o dispositivos mediante ondas de radio y luz infrarroja, con los que la transmisión de datos será más eficiente (Jorge, 2003).

1.3.1 Tecnologías de comunicaciones

La idea de tecnología se asocia a los conocimientos, las técnicas y los dispositivos que posibilitan la aplicación del saber científico. Comunicación, por su parte, se vincula a la transmisión de información entre un emisor y un receptor que comparten un mismo código, de acuerdo con esto, es necesario el uso de computadoras (ordenadores) y otros equipos para almacenar, procesar y transmitir datos.

1.3.1.1 Wireless Local Area Network (WLAN) Es un sistema de comunicación de datos para extender o reemplazar una Red de Área Local cableada (LAN). Al comienzo, las aplicaciones de las redes inalámbricas fueron confinadas a industrias y grandes almacenes. Actualmente, las redes WLANs (figura 4) son instaladas en universidades, oficinas, etc. Las WLANs consisten en PCs que se conectan a dispositivos fijos llamados "puntos de acceso" (access points) vía señales de radio o infrarrojo. Abarca todas las modalidades posibles desde las PANs (Personal Area Networks), MANs (Metropolitan Area Network) hasta las WANs (Wide Area Networks). (Jorge, 2003)

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Figura 4. Ejemplo red tipo WLAN.

Fuente: (Álvarez Pascual & Verdes Álvarez, 2006)

1.3.1.2 Wireless Wide Area Network (WWAN) Las redes inalámbricas tipo WAN constan de torres y antenas que transmiten ondas de radio o usan tecnología de microondas para conectar redes de área local, utilizando enlaces punto-punto y punto-multipunto. GSM, GPRS y UMTS son tecnologías de transmisión de información inalámbrica que se caracterizan por la velocidad que soportan, el tipo de pago y el tiempo de establecimiento de la conexión. (Jorge, 2003) - General Packet Radio Service (GPRS) La tendencia actual de transmitir

datos a mayores velocidades dio lugar a la aparición de un desarrollo dentro de GSM, los Servicios Generales de Paquetes por Radio o GPRS, lo cual proporciona servicios con contenido basado en Internet muy eficientemente. (Jorge, 2003)

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- Global System for Mobile Communications (GSM) El primer sistema de telefonía móvil fue el analógico. GSM difiere de la primera generación de sistemas inalámbricos en que usa tecnología digital. La voz se digitaliza emulando las características del habla humana. Este método permite una transmisión muy eficiente de los datos. (Jorge, 2003)

- Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) siglas que en inglés

hacen referencia a los Servicios Universales de Telecomunicaciones Móviles, es miembro del sistema de comunicaciones móviles de “tercera generación” de UIT (Unión Internacional de Telecomunicaciones). UMTS busca basarse en y extender las actuales tecnologías móviles, inalámbricas y por satélite proporcionando mayor capacidad, posibilidades de transmisión de datos y una gama de servicios mucho más extensa, usando un innovador programa de acceso radioeléctrico y una red principal mejorada. (Jorge, 2003)

1.3.1.3 BLUETOOTH (Wireless Personal Area Network: WPAN) Son redes inalámbricas de corto alcance, generalmente para uso en interiores a pocos metros. La tecnología Bluetooth surge como respuesta a las necesidades de acceso a datos de forma rápida, fácil y segura. Es una tecnología inalámbrica de corto alcance basada en radiofrecuencia el cual consiste en un pequeño transmisor de radiofrecuencia integrado en un microchip y opera en una banda de “frecuencia de libre acceso” que son las bandas de frecuencia por las que los usuarios no deben pagar por su utilización. Lo contrario que pasa con las bandas de telefonía móvil. (Jorge, 2003)

1.3.1.4 Wireless Application Protocol (WAP) WAP protocolo para Aplicaciones Inalámbricas. La característica más importante es que WAP es escalable, es decir, se puede ampliar fácilmente, y permite a las aplicaciones disponer de los servicios móviles según su necesidad y en diferentes tipos de terminales, independientemente de los fabricantes y operadores. (Jorge, 2003)

1.3.2 Tecnologías de localización

Los primeros sistemas de localización, construidos en los años 30, se basaban en un receptor de radio con una antena que determinaba la dirección de la señal de llegada y el retraso con el transmisor. Gracias al progreso, los sistemas se basaron en transmisores de tierra que enviaban señales que indicaban la dirección de la transmisión. Algunos radio-sistemas determinaban la distancia o dirección del equipo de navegación a un transmisor fijo. Los satélites son el resultado de una investigación del área de las comunicaciones para incrementar la capacidad de los sistemas. (Jorge, 2003)

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1.3.2.1 Sistemas de Navegación basados en Satélite Actualmente, con los sistemas de navegación por satélite se obtiene gran precisión y por ello se utiliza en aplicaciones muy diversas. Han impulsado la industria de terminales capaces de recibir y procesar las señales de los satélites. Estos sistemas de navegación están basados en la medición de las distancias desde un receptor con respecto a un conjunto de satélites cuya posición se reconoce en todo momento, los satélites son puntos de referencia y el cálculo de distancia se efectúa determinando el tiempo que demora en llegar a la tierra la señal radioeléctrica. (Varela Pérez, 2003) - GPS: El Sistema de Posicionamiento Global (GPS) es un sistema de

localización diseñado por el Dpto. de Defensa de EEUU. Proporciona estimaciones precisas de posición, velocidad y tiempo y utiliza satélites para determinar la altitud, longitud y latitud de cualquier objeto en la superficie terrestre. (Varela Pérez, 2003)

- GLONASS: El sistema de navegación GLONASS (GLObal Navigation Satellites System) se desarrolló en la antigua Unión Soviética con fines militares y su funcionamiento es similar al GP (Glide Path). (Varela Pérez, 2003)

- GNSS: La Unión Europea quiere un sistema de navegación por satélite que

aumente los servicios actuales de GPS y GLONASS y así asegurar el papel de Europa en próximas generaciones. El programa estratégico mundial GNSS (Sistema de Navegación Global por Satélite) se divide en dos fases, GNSS-1 y GNSS-2. (Varela Pérez, 2003)

- GALILEO: ofrecerá servicios de forma gratuita para cualquier usuario

trabajando, Navegación en carretera, sincronización de redes, sistemas de información de tráfico, telefonía móvil, aduanas, control de acceso a ciudades, peaje de autopistas, ganadería y explotación petrolífera. (Varela Pérez, 2003)

1.3.3 Tecnologías de identificación

1.3.3.1 Identificación de Radio Frecuencia (RFID) La tecnología de RFID, es en realidad Wireless Tags, también conocidos como tags (etiquetas), tags inalámbricos, transponders, tarjetas chip, etc. Utiliza frecuencias de radio para reconocer productos y transportar datos a través de la cadena de abastecimiento. Está compuesto por un lector que emite una señal en una frecuencia predeterminada a todos los tags (etiquetas) de RFID contenidos en su rango de alcance. A su vez estos tags devuelven una señal que contiene

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información. El lector y los tags se comunican por medio de campos electromagnéticos creados por una antena. (Jorge, 2003)

1.3.3.2 ZigBee ZigBee se corresponde con una especificación global creada por un consorcio de múltiples marcas destinadas a la venta de sistemas de control inalámbrico denominados ZigBee Alliance. Dicha especificación se basa en el estándar 802.15.4 definido por el IEEE donde se especifica la capa física y de enlace del protocolo. En cuanto a los niveles superiores, la ZigBee Alliance se encarga de establecer el conjunto de reglas que deben cumplir las capas de red, aplicación, el framework de aplicación, los perfiles y los mecanismos de seguridad. La idea principal sobre la que se ha desarrollado ZigBee ha sido la facilidad a la hora de implementarlo en un sistema de control, o lo que es lo mismo, se busca que de una manera sencilla y rápida se pueda desarrollar un sistema robusto y duradero fácilmente integrable en una red inalámbrica destinada a la supervisión y el control. Por este motivo, ZigBee pretende cumplir los siguientes requisitos:

- Alta confiabilidad.

- Bajo costo. - Muy bajo consumo. - Altamente seguro. - Estándar abierto. En consecuencia, para poder satisfacer todos estos requerimientos, ZigBee se caracteriza por: - Baja capacidad de transmisión, en torno a 250 Kbps, que permitirá desarrollar

sistemas de muy bajo costo.

- Protocolo sencillo, pudiendo ser implementado sin ningún tipo de limitación en sistemas microcontroladores de 8 bits.

- Muy bajo consumo energético permitiendo alargar la vida de uso de la fuente

de alimentación. A continuación, se muestran las bandas de frecuencia y la velocidad de datos que maneja el protocolo ZigBee (tabla 2):

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Tabla 2. Características en frecuencia y velocidad ZigBee

Física Banda de frecuencia

Número de

canales

Parámetros de propagación

Parámetros de los datos

Velocidad de procesamiento

Modulación Bits por segundo

Cantidad de

información

Modulación

868/915MHZ

868-870 MHz

0 300 kchip/s BPSK 20 kb/s 20 kbaud BPSK

902-928 MHz

1 a 10 600 kchip/s BPSK 40 kb/s 40 kbaud BPSK

2.4 GHz 2.4-2.4835GHz

11 a 26 2.0 Mchip/s O-QPSK 250Kb/s 62.5 kbaud 16-ary Orthogonal

Fuente: (Vera Romero, Barbosa Jaimes, & Pabón González, 2017) Las aplicaciones de esta tecnología van desde aplicaciones a nivel de automatización del hogar, control industrial, electro medicina, control de tráfico, sistema de alertas, localización, seguimiento de persona, activos o animales, sistemas de alerta, monitoreo y control. Mediante el uso de equipos eléctricos y electrónicos se puede realizar la medición de variables ambientales y el respectivo monitoreo, además de aplicaciones domóticas y de control.

1.3.4 Marco legal

- Norma IEEE802: esta norma define los medios físicos de una red, por ejemplo:

cables, routers y puentes entre otros, además de los métodos de conexión a la red.

- Estándar 802.11: este es el conjunto de normas que enmarca las características del nivel físico y de enlace del modelo OSI. En general regula las conexiones inalámbricas.

- Estándar 802.11.4 ZigBee: este estándar regula las comunicaciones

inalámbricas a corta distancia, además se refiere únicamente a las bandas 868MHz, 915MHz y 2.4GHz. Con velocidad de transferencia de hasta 250Kbps.

- Estándar IEC 60751: esta norma define los parámetros que se deben tener en

cuenta para la configuración de conexiones de los sensores de temperatura que contienen platino, también incluye los rangos de temperatura que se podrán medir por medio de estos sensores y la manera en que deben ser limitadas las corrientes.

- Decreto 2618 de 2012: Este decreto expone las modificaciones que se han

realizado en la estructura del Ministerio de Tecnologías de la Información y las

Comunicaciones. De esta manera se busca políticas que coordinen y

estandaricen la gestión de tecnologías en la industria.

18

1.4 SISTEMA DE INFORMACIÓN

La mayoría de sistemas de información pueden ser representados mediante un modelo formado por elementos básicos, los cuales son: - Elementos de entrada.

- Elementos de salida.

- Sección de transformación.

- Mecanismos de control.

- Objetivos. En la figura 5 se muestra el proceso mediante el cual los recursos entran al sistema por medio de elementos de entrada para ser modificados este proceso es controlado para así llegar al objetivo y poder obtener un resultado que se muestra a través de los elementos de salida. (Fernández Alarcón, 2006) Figura 5. Modelo general de un sistema.

Fuente: (Fernández Alarcón, 2006) Teniendo en cuenta lo anterior, un sistema resulta ser un conjunto de componentes que interaccionan entre sí para lograr un objetivo, esta varía de acuerdo al caso y las necesidades de información de cada cliente. Para el caso de implementación de tecnologías es importante hacer referencia a los datos ya que en ellos se encuentra la información necesaria para realizar algún tratamientos posterior, es decir que los datos se pueden considerar como la

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materia prima con la que se pondrá a funcionar el sistema, para este hecho es necesario considerar la parte física que compone el sistema (hardware y software) y la parte de la comunicación (redes de datos, imágenes).por lo tanto el sistema de información debe estar en capacidad de recoger los datos de entrada, para que estos posteriormente se procesen, después debe estar en capacidad de almacenar los datos previamente tratados con el fin de proveer información a un usuario final. (figura 6) (Fernández Alarcón, 2006) Figura 6. Sistema de información básico

Fuente: Autores

1.4.1 Componentes de un sistema de información

Es indispensable tener en cuenta que existen diferentes tipos de sistemas de información, entre los cuales encontramos: Sistemas transaccionales que se caracteriza por permitir agilizar tareas en las operaciones de las organizaciones además de permitir un gran número de entradas y salidas con un nivel de cálculo bajo; Sistemas de apoyo de decisiones que no permiten un número alto de entradas y salidas, pero permiten manejar operaciones complejas realizando cálculos de operaciones de alto nivel. También se encuentran sistemas estratégicos en donde los sistemas de información mantienen una complejidad alta y generalmente están compuestos por subsistemas basados en los sistemas de apoyo de decisiones y sistemas estratégicos en donde generalmente se apunta a un desarrollo organizacional. (Fernández Alarcón, 2006) Los objetivos principales de los sistemas de información son: garantizar la calidad de la información, disponer de recursos de consulta para el público al cual va dirigida la información, permitir transacciones a partir de los procesos en donde se genera información y ser escalables, interoperables, funcionales y seguros. Para el desarrollo correcto de un sistema de información es necesario tener en cuenta cada una de las partes que lo conforman ya que se relacionan entre sí para llegar a cumplir el objetivo final, basados en un conocimiento específico, de esta manera se tienen diversos actores que se presentan a continuación (figura 7) (Fernández Alarcón, 2006)

Recoger

Procesar

Almacenar

Proveeer la información

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Figura 7. Componentes de un sistema de información.

Fuente: (Fernández Alarcón, 2006) La tecnología de la información se puede considerar en hardware, dispositivos electrónicos tales como computadores, periféricos, pantallas, impresoras, entre otros, y el software, que es todo aquel código o enlace que funciona sobre el hardware. Además, el sistema de información también se puede clasificar de acuerdo con la finalidad de la información (figura 8). Figura 8. Tecnologías de la información.

Fuente: (Fernández Alarcón, 2006)

ACTORES INDIVIDUOS

PARTICIPANTES

PROPIETARIOS DEL SISTEMA

Son aquellos que patrocinan los sistemas , fijan presupuestos y

plazos.

USUARIOS DEL SISTEMA

Utilizan el sistema para introducir,

validar, transformar y almacenar datos e

información.

DISEÑADORES DE SISTEMAS

Expertos en tecnología resuelven las necesidades y restricciones mediante recursos tecnologícos.

CONSTRUCTORES DEL SISTEMA

Ejecutan el sistema de acuerdo al diseño

previamente presentado integra tecnologias de

Software.

ANALISTA DE SISTEMA

Estudia los problemas y necesidades para lograr mejorias dentro de la

empresa.

TECNOLOGÍAS DE LA INFORMACIÓN

Tecnologías basadas en datos

Captura

Almacena

Gestiona datos e información

Tecnologías basadas en procesos

Dar soporte a las actividades o procesos que se realizan en la

empresa.

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La tecnología de las telecomunicaciones permite enlazar la informática de los datos y los procesos en distintos lugares, el desarrollo de redes potentes y fiables ha permitido el acceso remoto a los sistemas de información, así como la interconexión de distintos sistemas de información. (Fernández Alarcón, 2006)

1.5 BASE DE DATOS

Una base de datos es básicamente poder coleccionar datos que tienen algún tipo de relación, los cuales pueden registrarse y tienen un significado, estas deben ser diseñadas, construidas y residir con datos que sirven para un fin específico. De acuerdo con lo anterior, un sistema de bases de datos básicamente requiere de un sistema computarizado que esté en capacidad de llevar los registros de las actividades relacionadas, se puede considerar que una base de datos es una especie de armario electrónico para archivar, es decir que cumple la función de colección de datos, con esto los usuarios pueden realizar operaciones básicas tales como: - Agregar nuevos archivos.

- Insertar datos a archivos existentes.

- Modificar datos de archivos existentes.

- Eliminar datos existentes.

(Date, 2002)

1.5.1 Modelos de bases de datos

Las bases de datos se pueden clasificar por modelos de acuerdo con la estructura lógica se tiene: - Modelo fichero plano. Consiste en una sola matriz de elementos contenidos

bidimensionalmente.

- Modelo jerárquico. Los datos están organizados en forma tipo árbol invertido, en la relación padre-hijo; el hijo solo puede tener un padre, pero un padre puede tener múltiples hijos, padres e hijos están unidos por enlaces. La redundancia de datos no es posible representarla. (Codd, 2001)

- Modelo en red. Extiende la estructura jerárquica donde se permiten múltiples

padres, está construido sobre el concepto de múltiples ramas o varios nodos, las ramas son unidas por múltiples nodos. (Codd, 2001)

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- Modelo relacional. Bases de datos que contienen relaciones, atributos y dominios y la relación equivale a una tabla con filas y columnas. Deben seguir mínimas reglas orden de los atributos, no se pueden repetir, cada atributo solo puede tener un valor. La base de datos puede contener varias tablas. (Codd, 2001)

- Modelo orientado a objetos. Representación en bases de datos como filas en

tablas, permite el uso de varios tipos de datos, también incluye la teoría de encapsular los datos. (Codd, 2001)

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2. DISEÑO

En este capítulo se muestra paso a paso el diseño del sistema (figura 9), para esto se tienen en cuenta las necesidades, las limitaciones y los factores externos que afecten el proyecto. Es importante resaltar el objetivo principal el cual consiste en medir variables climáticas en cultivos protegidos mediante una red inalámbrica de configuración flexible, para elaboración de mapas climáticos. Para ello es necesario aclarar cómo se realiza el proceso de medición de variables climáticas dentro de un cultivo protegido. En la etapa de diseño se tiene en cuenta la selección de variables climáticas a medir dentro del invernadero, teniendo en cuenta el costo de medición de acuerdo a los recursos tecnológicos, continúa con la selección de los sensores y dispositivos electrónicos como los controladores que permiten la ejecución del sistema y el tipo de red que se definió de tal manera que esta tenga las características que le permiten ser flexible y reconfigurable. La siguiente etapa de diseño está propuesta para la configuración de la red y los dispositivos de medición, para esto se realizó una programación de un controlador previamente seleccionado que permite la visualización de los valores de cada sensor teniendo en cuenta una organización preestablecida en un computador principal, con el fin de portar los datos por medio de un software básico en donde posteriormente van a ser debidamente tratados y almacenados. Para la implementación de la red se definió el protocolo con el cual va a operar el sistema, además del hardware que se debe implementar para cumplir con los requisitos del protocolo permitiendo obtener la configuración de red deseada desde el desarrollo de la aplicación. Una vez definido el hardware que se utilizó para la construcción e implementación del sistema fue necesario definir el software que permitiera reunir y tratar la información obtenida por medio de los sensores, el controlador y los dispositivos de red. Finalmente, se diseñó e implementó la base de datos del sistema de información el cual contempla los casos de uso, diagramas de clase y la creación de la base de datos, teniendo en cuenta el desarrollo en el software seleccionado para la aplicación, con esto se realizó el tratamiento y almacenamiento de datos requeridos para la aplicación, para lo cual fue necesario tener en cuenta los tiempos de medición, los datos de entrada al sistema (medida del sensor) los cuales se procesan con el fin de generar los datos de salida (mapas climáticos en dos y tres dimensiones).

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El diseño de este sistema está realizado con el fin de poder consultar la información obtenida por parte de los equipos de medición, apoyados en el software y en la estructura diseñada para la medición de las variables climáticas. En ningún caso el sistema permite manipular los datos obtenidos por parte del usuario final, lo cual garantiza que es la información obtenida por parte de cada uno de los sensores ubicados en el invernadero. El usuario podrá realizar la consulta de todos los datos obtenidos por el sistema en la página diseñada para la visualización de la información. Figura 9. Etapas de diseño.

Fuente: Autores

2.1 REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA

El control de las condiciones climáticas dentro de los invernaderos, proporciona una solución a este problema, mediante el control de humedad y temperatura como mínimo, mejorando la protección contra plagas, para ello existen alternativas de medición como son los sistemas estáticos, los cuales se limitan a tomar datos en un área de trabajo limitada y los sistemas de medición móviles o inalámbricos, que permiten mayor flexibilidad en la toma de datos. Aunque no se tiene con certeza información suficiente, de los invernaderos con control de microclima en Colombia, la metodología a desarrollar ofrece una forma más simple y efectiva de medir el comportamiento de las variables climáticas dentro del invernadero, para elaboración de mapas bi-dimensionales o tri-dimensionales confiables, con menor

CONFIGURAR UNA RED INALÁMBRICA PARA MONITOREO DE VARIABLES EN UN INVERNADERO

OBJETIVO

- Descripción de sensores .

- Tipo de red a implementar.

ETAPA 1 (Selección de equipos)

- Configuración de los equipos electrónicos.

ETAPA 2 (Configuración de equipos)

- Diseño base de datos.

- Desarrollo en software.

ETAPA 3 (Procesamiento y alamacenamiento)

Selección de variables que se medirán dentro del invernadero.

VARIABLES

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costo de implementación y sostenimiento, a partir de una base de datos con la información recolectada. Para este proyecto se desarrollará un sistema de comunicación inalámbrico para el monitoreo de algunas variables de clima en un invernadero (figura 10). Esta red se sincronizará con un dispositivo central que subirá la información a un sistema orientado al manejo de estas variables, interactuando con una base de datos y un software básico para la construcción de mapas de las variables involucradas. Esta configuración proporcionará información que permita proponer estrategias de control en tiempo real para el clima del invernadero que se está monitoreando, aunque el proyecto solo se desarrollará para la etapa de monitoreo. Figura 10. Requerimientos del sistema.

Fuente: Autores

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2.2 VARIABLES CLIMÁTICAS A MEDIR

2.2.1 Temperatura

Para el desarrollo del proyecto es necesario aclarar que el sistema está dirigido en primera estancia para un cultivo de rosas, con fines portables hacia otros cultivos, sin embargo, para este caso hay que tener consideraciones específicas del cultivo para así mismo realizar la elección del sensor que medirá la temperatura dentro del cultivo. En la tabla 3 se contemplan algunas temperaturas representativas para el cultivo las cuales permitirán su desarrollo adecuado o definitivamente el deterioro del mismo. Tabla 3. Temperaturas para el desarrollo del cultivo de rosas.

ROSAS TEMPERATURA

Mínima letal 0 °C

Mínima Biológica 12 °C

Óptima 18 – 21 °C

Máxima Biológica 25 °C

Máxima letal 35 °C

Delta térmico ideal 9 – 10 °C

Fuente: (Grupasa, 2017)

2.2.2 Humedad

Para el desarrollo de la aplicación se medirá la humedad relativa del cultivo, siendo esta la cantidad de agua contenida en el aire, en relación con la máxima que sería capaz de contener a la misma temperatura. La humedad ambiental es el segundo factor ambiental que influye en el desarrollo y modifica el rendimiento de los cultivos. (Grupasa, 2017) Existe una relación inversa de la temperatura con la humedad por lo que, a elevadas temperaturas, aumenta la capacidad de contener vapor de agua y por tanto disminuye la humedad relativa. Con temperaturas bajas, el contenido en humedad relativa aumenta. Cada especie tiene una humedad relativa idónea, para el caso de las rosas en la tabla 4 se muestra la humedad relativa adecuada para este cultivo. (Benavente, García, Pastor, Luna, & Nolasco, 2000) Tabla 4. Humedad relativa óptima para el cultivo de rosas.

ROSAS HUMEDAD RELATIVA

Óptima 60 – 70 %

Fuente: (Benavente, García, Pastor, Luna, & Nolasco, 2000)

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La humedad relativa (HR) del aire es un factor climático que puede modificar el rendimiento final de los cultivos. Cuando la humedad relativa (HR) es excesiva las plantas reducen la transpiración y disminuyen su crecimiento, se producen abortos florales por apelmazamiento del polen y un mayor desarrollo de enfermedades criptogámicas. Por el contrario, si es muy baja, las plantas transpiran en exceso, pudiendo deshidratarse, además de los comunes problemas de mal cuaje es decir la transición de flor fruto. (Benavente, García, Pastor, Luna, & Nolasco, 2000)

2.2.3 Luminosidad

La luz es la base de la fotosíntesis, a mayor luz, mayor fotosíntesis. Al llegar al punto de saturación, la fotosíntesis no se incrementa. Debido a que las plantas se hacen sombra unas a otras, el punto de saturación varía, en la Tabla 5 se muestran 3 parámetros con cantidad de luz idóneos. Tabla 5. Puntos de saturación y cantidad de luz.

Parámetro Cantidad de luz (lux)

Punto de saturación sin sombra del follaje.

20.000 – 30.000

Punto de saturación con sombra del follaje.

100.000

Ideal rosas. 45.000 – 60.000

Fuente: (Clúster, 2017) Al aumentar la luminosidad se aumenta la producción y se acortan los ciclos. De acuerdo al material que se utilice para la elaboración de invernaderos podemos decir que la madera reduce la luminosidad total mientras que el aluminio la aumenta. Influye también la orientación de este a oeste con la cual se capta mayor cantidad de luz. Respecto al número de horas luz, el parámetro está entre 12-16 horas. (Clúster, 2017)

2.3 HARDWARE DEL SISTEMA

Para la elegir los sensores y dispositivos electrónicos es esencial tener presente características y factores específicos del proceso al cual se va a encontrar sometido el instrumento. Para ello será necesario conocer el medio ambiente al que se va a enfrentar, en la Tabla 6 se presentan algunas de estas condiciones:

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Tabla 6. Características de selección de sensores.

Características del medio ambiente

Aplica No aplica

Observaciones

Temperatura

ambiente

X

Para este caso, la temperatura en un invernadero no cambia radicalmente. Sin embargo es necesario aclarar que el sensor seleccionado debe tener un rango de medición mayor a las temperaturas extremas del cultivo.

Lluvias

X

No afectan directamente, pero se deben tener en cuenta las actividades de riego y aspersión de plaguicidas.

Humedad

X

Esta puede afectar algunos instrumentos de medición así que será importante sugerir algún tipo de protección IP para los dispositivos electrónicos.

Corrosión

X

Debido a los plaguicidas y el agua que se aplica en los cultivos, estos elementos pueden favorecer al deterioro de los equipos electrónicos a utilizar.

Interferencias electromagnéticas

X

Dentro de los cultivos no suele haber interferencia por circuitos eléctricos internos.

Vibraciones

X

Se realizan trabajos que impliquen algún tipo de vibración, tales como riego, cosecha por medio de aparatos mecánicos que interfieren directamente en el cultivo.

Fuente: Autores.

2.3.1 Arduino

Arduino es una plataforma de electrónica de código abierto basada en hardware y software fácil de usar. Las placas Arduino pueden leer entradas (sensor) y convertirlo en una salida, activar un actuador. Para ello, utiliza el lenguaje de programación Arduino (basado en el cableado) y el software Arduino (IDE), basado en el procesamiento. (Arduino, 2018)

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Para este caso el uso de Arduino Uno como controlador, se debe a su accesibilidad, adicionalmente cuenta con los puertos necesarios para la implementación de los sensores seleccionados y su configuración se facilita pues las librerías de cada periférico se encuentran instaladas. Tiene la practicidad de ejecutarse en diferentes sistemas operativos como Mac, Windows y Linux. Además, está dirigido a todo tipo de población académica con conocimientos básicos de programación. Algunas de las ventajas de Arduino se muestran en la tabla 7. Tabla 7. Ventajas uso de Arduino.

VENTAJAS DE ARDUINO

ECONÓMICO

Una placa Arduino no tiene un costo elevado, los módulos pueden costar menos de 150.000 pesos Colombianos y se pueden aplicar en diferentes campos de trabajo.

MULTIPLATAFORMA

El software de Arduino (IDE) se ejecuta en Windows, Macintosh OS X, y Linux. La mayoría de los sistemas de microcontroladores están limitados a Windows.

ENTORNO DE PROGRAMACIÓN Sencillo y claro, suficientemente flexible.

SOFTWARE ABIERTO Código abierto, el lenguaje se puede extender mediante librerías C++.

HARDWARE ABIERTO

Los planos de los paneles Arduino se publican bajo una licencia de Creative Commons.

Fuente: (Arduino, 2018) Para este caso se utilizaron las placas Arduino uno, ya que poseen las características básicas necesarias para el desarrollo del sistema puesto que posee entradas análogas y digitales en el número necesario para la implementación del sistema, además de salidas digitales importantes para el tratamiento de los datos pues estas permiten realizar la conexión con el dispositivo de comunicación seleccionado para la transmisión de la información recolectada (Tabla 8). Tabla 8. Controlador Arduino uno.

ARDUINO UNO ATMEGA328

Velocidad CPU 16 MHz

Análogo I/O 6/0

30

Digital IO/PWM 14/6

EEPROM 1

Memoria Flash 32 KB

. Para conocer más sobre la tarjeta Arduino Uno ATMEGA328 ver anexo 1.

Fuente: (Arduino, 2018)

2.3.2 Tarjeta de comunicación inalámbrica Xbee

Xbee es el nombre comercial de una familia de módulos de comunicación por radio y están basados en el estándar ZigBee. Los módulos Xbee han sido diseñados para aplicaciones que requieren de un alto tráfico de datos, baja latencia y una sincronización de comunicación predecible. Por lo que básicamente XBee es propiedad de Digi basado en el protocolo ZigBee. (Digi, 2018) Para el desarrollo de la aplicación ZigBee será el protocolo de comunicación y Xbee las tarjetas de comunicación, en la tabla 9, se enumerarán las ventajas y desventajas del uso del uso de tarjetas de comunicación xbee con protocolo ZigBee. Tabla 9. Ventajas y limitaciones tarjetas Xbee.

VENTAJAS LIMITACIONES

• Ideal para conexiones punto a punto y punto a multipunto. • Diseñado para el direccionamiento de información y el refrescamiento de la red. •Óptimo para redes de baja tasa de transferencia de datos. • Alojamiento de 16 bits a 64 bits de dirección extendida. • Reduce tiempos de espera en el envío y recepción de paquetes. • Baja ciclo de trabajo - Proporciona

• La tasa de transferencia es muy baja. •Solo manipula textos pequeños comparados con otras tecnologías. • ZigBee trabaja de manera que no puede ser compatible con Bluetooth en todos sus aspectos porque no llegan a tener las mismas tasas de transferencia, ni la misma capacidad de soporte para nodos. • Tiene menor cobertura porque pertenece a redes inalámbricas de tipo WPAN.

31

larga duración de la batería. • Soporte para múltiples topologías de red: Estática, dinámica, estrella y malla. • Hasta 65.000 nodos en una red. • 128-bit AES de cifrado - Provee conexiones seguras entre dispositivos. • Son más baratos y de construcción más sencilla • ZigBee tiene un bajo nivel de radiación y, por tanto, se puede utilizar en el sector médico. • Rango de 10 m a 75m, o más según los dispositivos seleccionados.

Fuente: (Digi, 2018) Las tarjetas inalámbricas de comunicación Xbee que se usaron son de la serie 2, las cuales permiten dos modos de comunicación, las cuales son:

Modo AT (modo transparente).

Modo API.

Es necesario aclarar que para la configuración de esta tarjeta e implementación de la comunicación deseada se debe hacer uso de X-CTU el cual es un software libre de Digi. Este software permite modificar los factores para la implementación de los diferentes tipos de red que se desean establecer. Es indispensable contar con la información que proporciona cada tarjeta Xbee, independiente de la serie a la que pertenezca; Aclarando que las tarjetas Xbee S1 solo permiten implementar redes punto a punto, o punto multipunto en modo half-duplex, lo cual imposibilita la transmisión de información de dos o más puntos simultáneamente. En la tabla 10 se presentan las características de las tarjetas inalámbricas Xbee S2. Tabla 10. Características Xbee S2.

XBEE PRO - SERIE 2

Alimentación 3.3 v

Velocidad de transferencia 250 kbps Max

Alcance 90m – 1500m

Pines ADC 6 / 10 bits

32

Pines digitales IO 8

Comandos AT/API

Configuración local o de forma inalámbrica

Para conocer más sobre la tarjeta inalámbrica Xbee S2 ver anexo 2

Fuente: (Digi, 2018)

2.3.3 Shield Xbee

Los shields son fundamentales para conexión de las tarjetas inalámbricas Xbee S2 tanto al controlador usado (Arduino uno), como para el computador central (PC). Para la de conexión de dispositivos son necesarios ya que asegura la funcionalidad en hardware para la aplicación, pues proporciona los puertos de alimentación además de los puertos de comunicación TX (transmisor) y RX (receptor), en la figura 11 y figura 12 se muestran los shields utilizados. Figura 11. Shield para el microcontrolador (Rourters).

Fuente: (Digi, 2018)

Figura 12. Shield para el computador (Coordinador).

Fuente: (Digi, 2018)

33

2.3.4 Sensor de temperatura y humedad DHT11

Este sensor proporciona la medida de temperatura en grados Celsius y de humedad relativa el porcentaje, las características del DHT11 se presentan en la tabla 11. Tabla 11. Características sensor de temperatura y humedad DHT11.

CARACTERÍSTICAS DHT11

Bajo costo

Alimentación 3,3v – 5 v

Rango de temperatura 0° a 50° con un 5% de precisión

Rango de Humedad de 20% a 80% con un 5% de precisión

Bajo consumo

Para mayor información sobre el diagrama de conexión del sensor ver anexo 3

Fuente: (Prometec, 2017)

Este sensor es ideal para la aplicación ya que se realizó la implementación en un cultivo

de rosas y los parámetros para temperatura y humedad están acorde con las medidas

máximas de estas variables que se pueden presentar dentro del invernadero, pues este

cuenta con calibración realizada desde fabrica. (tabla 12)

Tabla 12. Características sensor y cultivo de rosas.

CARACTERÍSTICAS DEL SENSOR DHT11

CARACTERÍSTICAS DEL CULTIVO

TEMPERATURA 0°C – 50°C

TEMPERATURA OPTIMA 18°C – 25°C

HUMEDAD RELATIVA 20% - 80%

HUMEDAD RELATIVA 60% - 70%

Fuente: Autores.

34

2.3.5 Sensor Luminosidad BH1750

El módulo BH1750 es un sensor de iluminación digital para medición de flujo luminoso (iluminancia). Posee un conversor interno de 16-bit, por lo que entrega una salida digital en formato I2C. Su desempeño es mejor al de un Foto-Resistor (LDR), pues no es necesario realizar conversiones de voltaje para obtener datos interpretables. Entrega la intensidad luminosa directamente en unidades Lux (Lx). El lux es la unidad derivada del S.I. de Unidades para la iluminancia o nivel de iluminación. Equivale a un lumen /m². (Lamp, 2016) Las características de sensor se presentan a continuación en la tabla 13, además de la capacidad del sensor con respecto a las características del cultivo de rosas. Tabla 13. Características sensor de luz BH1750.

SENSOR DE LUMINOSIDAD BH1750

Voltaje de Operación: 3V – 5V

Respuesta espectral similar a la del ojo humano

Realiza mediciones de iluminancia y convierte el resultado a una palabra digital

Modo de bajo consumo de energía

Rechazo de ruido a 50/60 Hz

Baja dependencia de la medición contra la fuente de luz: halógeno, led, incandescente, luz de día, etc.

Para más información sobre el modo de conexión del sensor de luz ver anexo 4

Amplio rango de medición 1 - 65.535 lux

Rango estable de luz en el cultivo 60.000

Fuente: (Lamp, 2016)

2.4 TIPO DE RED

Teniendo en cuenta que se realizó el desarrollo del proyecto por medio de protocolo ZigBee, se muestra la integración mediante el modelo OSI (Open Systems Interconection) a partir de los estándares de las redes IEEE 802.15.4/ZigBee y sus diferentes capas y servicios.

35

Las redes inalámbricas requieren de una estructura física que le permiten ejecutar operaciones y procesos de comunicación, para esto se usan puntos de acceso para permitir a los usuarios conectarse a una red principal, por eso se tiene el modelo de integración por capas de aplicación y servicios llamado OSI (Cifuentes García, 2011), este modelo tiene un conjunto de estándares que describen en una red el modelo de referencia OSI está conformado por 7 capas que se muestran en la figura 13. Figura 13. Capas modelo de referencia OSI.

Fuente: (Cifuentes García, 2011)

Para el desarrollo de la aplicación se selecciona la tecnología ZigBee, pero para ello se tuvieron en cuenta otro tipo de tecnologías como el bluetooth y Wi-Fi, en la tabla 14 se realiza la comparación de tecnologías.

•Procedimientos para las aplicaciones de usuario.APLICACIÓN

(capa 7)

•Estructura mensajes, semantica y sintaxis, formato de transmisión.

PRESENTACIÓN

(capa 6)

•Organiza y sintoniza el intercambio de mensajes, controla la comunicación.

SESIÓN

(capa 5)

•Provee un canal para enviar mensajes entre dos procesos que se comunican.

TRANSPORTE

(capa 4)

•Controla la operación sobre la subred de operaciones, servicio de ruteo de paquetes y administración de la red.

RED

(capa 3)

•Transforma un canal de comunicaciones en un canal libre de errores entre los dos extremos del enlace fisico.

ENLACE DE DATOS

(capa 2)

•Transmite un tren de bits sobre un canal de comunicación, define el medio.

FISICA

(capa 1)

36

Tabla 14. Comparación ZigBee, Bluetooth y Wi-Fi.

Fuente: (Cifuentes García, 2011) Para el caso de aplicación en el sector agrícola algunas de las ventajas de la tecnología ZigBee son:

Bajo costo.

Bajo consumo de energía.

Permite comunicación full dúplex.

Estándar de comunicación basado en el modelo OSI.

Orientada a redes inalámbricas de sensores.

Amplificación de la potencia.

Confiabilidad de la comunicación debido a la cantidad representativa de nodos que maneja, permitiendo la transmisión de paquetes.

Teniendo en cuenta esto, con el protocolo ZigBee se puede llegar a formar redes muy extensas debido a que puede manejar varios coordinadores, permitiendo así configurar diferentes de red.

2.4.1 Topología de red

En la figura 14, se muestran varias topologías físicas de red que maneja ZigBee entre ellas se encuentran estrella, árbol y malla, para este caso se definirá una red tipo estrella ya que este tipo de red conecta y controla sensores sin ser restringidos por la

ZigBee Bluetooth Wi-Fi

Consumo de energía.

Bajo – 30 mA (transmitiendo) y 3 mA (reposo)

Medio – 40mA (transmitiendo) y

2mA (reposo)

Alto – 400mA (transmitiendo) y 20mA (reposo)

Nodos 65536 7 32

Velocidad 250 Kbps 1Mbps 54Mbps

Rango 400 m. 10 m. 100 m.

Ventajas

Batería larga duración, bajo

costo.

Interoperabilidad, sustituto del cable.

Gran ancho de banda.

Aplicaciones Control remoto, sensores

dependientes de la batería.

Información casera, móviles,

USB.

Navegar por internet, redes de

computadores, transferencia de

archivos.

37

distancia, además de contar con un concentrador en donde se almacena finalmente la información, en este caso todos los dispositivos que están incluidos en la red se pueden comunicar uno con otro, esto quiere decir que los dispositivos finales pueden ser routers de la red si así se necesitara, pueden cumplir la función de repetidores, haciendo posible la trasmisión de datos entre dispositivos. Figura 14. Topologías de red.

Fuente: (Cifuentes García, 2011) El tipo de red estrella cuenta con un dispositivo que coordina, tienen uno o más dispositivos routers y uno más dispositivos finales, de acuerdo con la necesidad, en la figura 15 se muestra un tipo de configuración en estrella. Esta topología toma principal importancia al poseer un nodo central que se encarga de controlar la comunicación de los dispositivos. Figura 15. Red ZigBee tipo estrella.

Fuente: (Cifuentes García, 2011)

Se establece una red de configuración en estrella con topología lógica tipo Hub Polling,

que se caracteriza por tener un control centralizado, el cual inicia el proceso de solicitud

de información (Polling o encuesta) a una primera estación. Cuando la transmisión de

cada estación finaliza esta selecciona la siguiente para continuar la transmisión. Cuando

la última estación finaliza la transmisión de datos, el control reinicia el proceso de

recolección de datos. (Universidad de Valencia, 2018)

38

2.4.2 Dispositivos ZigBee

Una red ZigBee está formada oficialmente cuando se declara un coordinador, el cual permite el ingreso a la red, un router y un dispositivo final, estos últimos tienen acceso a la red por medio del coordinador o del router. Se debe tener en cuenta que los dispositivos finales solo pueden enviar el mensaje a través de los routers o directamente a los coordinadores. Coordinador ZigBee

Inicia la red.

Selecciona el PAN ID (Identificador de Red de Área Personal) para la red.

Permite a los otros dispositivos entrar o salir de la red.

Centro de seguridad de la red. Router ZigBee

Enrutar datos entre dispositivos

Manejar mensajes de los dispositivos finales.

Ejecutar funciones de dispositivos finales. Dispositivos finales ZigBee

Reposar mientras no se realiza el proceso de recolección.

No almacena información solo la transmite. En la figura 16 se muestra la disposición de dispositivos para la red del cultivo de rosas

bajo invernadero.

Figura 16. Disposición de la red tipo estrella para cultivo de rosas.

Fuente: Autores

39

Mediante el programa X-CTU se puede observar la topología de red (figura 17),

teniendo en cuenta que ya se han configurado los dispositivos ZigBee, coordinador (C),

router (R), y dispositivos finales (E).

Figura 17. Topología X-CTU.

Fuente: Autores

2.5 CONFIGURACIÓN DE DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS

La configuración de los dispositivos se realizó teniendo en cuenta el controlador seleccionado, Arduino uno, el software disponible para la programación de este es: Arduino 1.8.5. Una vez seleccionado este controlador, se realizó la configuración de los sensores. En la figura 18 se muestra el diagrama correspondiente a las etapas de configuración de los dispositivos correspondientes a los terminales de monitoreo. Figura 18. Modelo de configuración de dispositivos electrónicos.

Fuente: Autores

Se realizó la configuración de los controladores seleccionados para la implementación de la red y conexión con los sensores. El dispositivo seleccionado es un Arduino uno y su configuración corresponde a la tabla 15. Esta es equivalente para cada nodo de

Configuración de los controladores

Configuración de los sensores

BH1750 y DHT11

Configuración de dispositivos de

comunicación Xbee

Diseño terminal de monitoreo (PCB)

40

medición, cambiando únicamente el indicador de nivel en donde está realizando la medición. Tabla 15. Configuración Controlador Arduino Uno.

CONTROLADOR CARACTERÍSTICAS DE CONFIGURACIÓN

ARDUINO UNO

Procesador AT Mega 328

Velocidad de baudios

9600

Tensión de alimentación.

5 V

Librerías implementadas.

BH1750.h Wire.h dht.h

Entradas Digitales

2

Entradas análogas

2

Salidas digitales

1

Fuente: Autores

Los sensores utilizados para este proyecto son el sensor BH1750, el cual permite medir

la cantidad de Luxes y el DHT11 que permite medir temperatura y humedad relativa.

La configuración para cada dispositivo de medición además de sus sensores,

controlador y fuente de energía es similar, aunque cada dispositivo es independiente de

los otros. Por otro lado, se utilizó un modelo con routers independientes en donde estos

cumplían la función única de retransmitir la información enviada por cada módulo de

medición. La configuración utilizada para el sensor BH1750 se encuentra en la tabla 16,

en esta se relacionan algunos factores como la resolución y la alimentación.

Tabla 16. Configuración sensor BH1750.

SENSOR CARACTERÍSTICAS DE CONFIGURACIÓN

BH1750

Dirección 0x23

Resolución 1 Lux

Alimentación 5 V

Salida Palabra digital

Fuente: Autores

Con el sensor DHT11 se tiene a favor, que este permite realizar mediciones de

temperatura y de humedad relativa de manera simultánea tal como se muestra en la

tabla 17. Su configuración se realizó de manera similar para cada dispositivo, aunque en

41

el controlador se realiza una configuración adicional que permite evidenciar el nivel de

medición.

Tabla 17. Configuración sensor DHT11.

SENSOR

CARACTERÍSTICAS DE CONFIGURACIÓN

DHT11

Rango de medición humedad 20 % – 90 %

Rango de medición temperatura 0 °C – 50 °C

Alimentación 5 V.

Salida Palabra digital.

Fuente: Autores

En el caso de las tarjetas de comunicación inalámbrica Xbee utilizadas como transmisor en cada módulo de recolección de datos, la configuración es similar a la de los dispositivos utilizados para retransmitir la información, los cuales cumplen la función de dar un mayor rango de alcance a la red. En el momento de realizar la configuración se establece cual va a ser el uso específico de cada Xbee, aunque debido a las características de estos dispositivos, se pueden emplear indistintamente luego de darles la configuración de routers, ya que estos se pueden utilizar como un nodo exclusivo de emisión de información. La figura 20 muestra la configuración que se utilizó para un módulo Router, la cual es la misma en cada equipo, con la única diferencia del cambio de su dirección de acuerdo a la mac asignada de fábrica para cada XBee. Figura 19. Configuración coordinador de la red.

Fuente: Autores.

En el caso de las Xbee utilizadas como transmisor en cada módulo de recolección de datos, la configuración es similar a la de los dispositivos utilizados para retransmitir la

42

información, los cuales cumplen la función de dar un mayor rango de alcance a la red. En el momento de realizar la configuración se establece cual va a ser el uso específico de cada Xbee, aunque debido a las características de estos dispositivos, se pueden emplear indistintamente luego de darles la configuración de routers, ya que estos se pueden utilizar como un nodo exclusivo de emisión de información. La figura 20 muestra la configuración que se utilizó para un módulo Router, la cual es la misma en cada equipo, con la única diferencia del cambio de su dirección de acuerdo a la mac asignada de fábrica para cada XBee. Figura 20. Configuración de Xbee emisor.

Fuente: Autores. De igual manera se diseñó un circuito electrónico que se ajusta adecuadamente al controlador con el fin de conectar fácilmente los sensores y la tarjeta de comunicación inalámbrica Xbee, en la figura 21 se muestra el esquema de conexión que se empleó para realizar esta placa. El software utilizado para la elaboración del módulo es Fritzing Beta, versión 0.9.3 el cual cuenta con las librerías y medidas ya establecidas para facilitar las conexiones con el controlador Arduino Uno. El plano electrónico del dispositivo de medición se encuentra en el Anexo 5.

43

Figura 21. Circuito electrónico (PCB).

Fuente: Autores Teniendo en cuenta el diseño de la PCB, se muestra en la figura 22 el diagrama de conexión de los dispositivos que intervienen en el sistema de medición de variables climáticas (arduino, dht11, bh1750) Figura 22. Diagrama de conexión dispositivos electrónicos.

Fuente: Autores.

2.6 DISEÑO BASE DE DATOS

Uno de los requisitos del sistema es poder almacenar las variables sensadas en una base de datos con el fin de poder realizar la consulta de estas en cualquier momento, al

44

igual que poder reconocer el lugar, la hora y la fecha de las mediciones realizadas. De esta manera se desarrolló una base de datos de tipo Modelo relacional el cual corresponde a bases de datos que contienen relaciones, atributos y dominios y la relación equivale a una tabla con filas y columnas. Deben seguir mínimas reglas orden de los atributos, no se pueden repetir, cada atributo solo puede tener un valor. La base de datos puede contener varias tablas. (Codd, 2001) Los objetivos de crear una base de datos son: ahorrar espacio en el disco duro de la unidad de procesamiento de datos; mantener la integridad y la precisión de los datos obtenidos y ofrecer el acceso a estos datos de una forma organizada y clara. Las etapas que se siguieron para el diseño de la base de datos corresponden a: identificar el propósito general y los requisitos de la base de datos; organizar los datos en tablas; especificar las claves primarias además de analizar las relaciones y realizar una normalización para la estandarización de las tablas. Las variables que se presentan en el sistema son las siguientes: Temperatura, humedad, luminosidad. Estas variables definen algunos atributos, pero no son todos, en la tabla 18 se encuentran relacionados los datos con el tipo de variable de cada uno. Tabla. 18. Datos y tipo de datos.

Datos Tipo de datos

Temperatura Char

Humedad Char

Luminosidad Char

Invernadero Char

Nave Char

Fecha/hora Char

Sector Char

Nivel Char

Mapa 2d Img

Mapa tendencias Img

Mapa 3d Img

Mapa 3d convolución Img

Fuente: Autores

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Los atributos principales entre estos datos son invernadero y fecha/hora, ya que

permiten ubicar otros datos de una manera más rápida y teniendo en cuenta un lugar o

una fecha y hora especifica. A estos se les denomina como clave primaria. En la figura

23, se muestran todas las entidades y en la figura 24, se evidencian las múltiples

relaciones que hay entre las entidades y los atributos que corresponden dentro de la

base de datos. Esto se establece con el fin de facilitar la relación de la información entre

las tablas que dan a lugar dentro de la base de datos. Igualmente permite obtener una

jerarquía de la información que se almacenará. Esto facilita la implementación de las

tablas, además de permitir identificar la información que se pueda repetir y con esto no

permitir obsolescencia en la base de datos por almacenamiento redundante.

Figura 23. Entidades de la base de datos.

Fuente: Autores

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Figura 24. Relación entre entidades y atributos.

Fuente: Autores Una vez desarrolladas las relaciones se procede con la normalización de la base de

datos. Esto con el fin de permitir una búsqueda clara, organizada y ágil de los datos que

se encuentran almacenados en la base de datos.

La normalización de la base de datos, se desarrolló de acuerdo con el criterio 1FN, el

cual tiene como indicación principal, que en una celda de una tabla solo se pueda

contener un único dato correspondiente a la descripción o al valor asignado en ese

espacio a los atributos de cada entidad tal como se muestra en la tabla 19.

Tabla 19. Normalización de la base de Datos.

Fuente: Autores

47

La base de datos, asigna de manera automática un índice a cada fila, de esta manera,

los datos se van almacenando de acuerdo al orden de ingreso con el fin de poder

encontrar la información organizada desde el primer momento en que se accede a la

base de datos.

La base de datos una vez diseñada se implementó en el gestor de base de datos

Microsoft SQL Server versión 12.0.2000.8 teniendo en cuenta que esta se alimentaría

constantemente desde Matlab, pues este es el programa que realiza todo el tratamiento

de datos antes de ingresarlo a la Base de datos. La tabla 20, permite observar cómo se

realizó la implementación de algunas tablas por medio del gestor mencionado

anteriormente.

Tabla 20. Organización tabla Invernadero.

Fuente: Autores

2.7 DESARROLLO EN SOFTWARE

El desarrollo del software se realizó en 4 etapas, como se muestra en la figura 25, estas se ejecutaron de manera secuencial y se integraron de la misma manera con el fin de acoplar los avances de manera consecuente con los progresos realizados. De esta manera se obtuvo una integración adecuada entre las etapas de ejecución. Figura 25. Ejecución del desarrollo de software.

Fuente: Autores

48

En primer lugar, se realizó la puesta a punto del sistema de adquisición, como se mencionó en la sección correspondiente a la configuración de dispositivos electrónicos. Este sistema se configuró teniendo en cuenta los requerimientos de los sensores seleccionados y programando su funcionamiento de manera simultánea. Se definió una estrategia de medición, donde se tienen en cuenta aspectos específicos del invernadero tales como:

Dimensiones del invernadero.

Disposición espacial del cultivo.

Disposición de sectores y niveles para realizar la medición. En la figura 26 se muestran las dimensiones del cultivo. Para este caso específico se tienen en cuenta el largo y ancho de la nave, además de la generación de sectores, con su correspondiente nombre, en cada nave. pFigura 26. Dimensiones y distribución de la nave del invernadero.

Fuente: Autores. Para el caso de cada nave, la distribución siempre será de 6 sectores, sin importar las dimensiones de esta; ahora, se procede al cálculo de los centroides por parte del programa, los cuales definirán la posición donde se debe colocar el dispositivo de medición en cada sector, haciendo que el programa establezca las coordenadas para la ubicación del dispositivo medición. En la tabla 21 se relacionan los sectores con sus respectivas coordenadas en los ejes X e Y, paralelos al piso.

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Tabla 21. Relación sectores y coordenadas.

SECTOR COORDENADA LARGO (EJE X) [m]

COORDENADA ANCHO (EJE Y) [m]

Sector 1 5 2.25 Sector 2 15 2.25

Sector 3 25 2.25 Sector 4 5 6.75

Sector 5 15 6.75 Sector 6 25 6.75

Fuente: Autores. Dentro de los requisitos del diseño, se desea hacer medición de variables climáticas en 3 alturas diferentes (eje Z). De esta manera, se generan 3 franjas, donde cada altura corresponde al punto medio de estas franjas y que corresponden a los tres tercios de la planta. En la figura 27, se muestra la distribución por niveles de cada nave. Esta distribución ´por niveles estará dada por la altura que tenga el cultivo de rosas al momento de realizar las mediciones. Figura 27. Distribución largo, ancho y alto de la nave.

Fuente: Autores. Teniendo en cuenta la figura 27 se obtiene la distribución en altura de la medición, es decir tres niveles, siendo estos: nivel alto, nivel medio y nivel bajo. Para efectos de programación los niveles se nombran de la siguiente manera:

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1𝐷𝐼𝑆𝑃𝑂𝑆𝐼𝑇𝐼𝑉𝑂 𝐷𝐸 𝑀𝐸𝐷𝐼𝐶𝐼Ó𝑁 00𝐼𝑁𝐷𝐼𝐶𝐴𝐷𝑂𝑅 𝐷𝐸 𝑁𝐼𝑉𝐸𝐿 𝐵𝐴𝐽𝑂

1𝐷𝐼𝑆𝑃𝑂𝑆𝐼𝑇𝐼𝑉𝑂 𝐷𝐸 𝑀𝐸𝐷𝐼𝐶𝐼Ó𝑁 01𝐼𝑁𝐷𝐼𝐶𝐴𝐷𝑂𝑅 𝐷𝐸 𝑁𝐼𝑉𝐸𝐿 𝑀𝐸𝐷𝐼𝑂

1𝐷𝐼𝑆𝑃𝑂𝑆𝐼𝑇𝐼𝑉𝑂 𝐷𝐸 𝑀𝐸𝐷𝐼𝐶𝐼Ó𝑁 02𝐼𝑁𝐷𝐼𝐶𝐴𝐷𝑂𝑅 𝐷𝐸 𝑁𝐼𝑉𝐸𝐿 𝐴𝐿𝑇𝑂

Para este caso los niveles tienen asignadas las siguientes medidas:

Nivel alto: correspondiente al número 102, ubicado a una altura de 1,80 m.

Nivel medio: correspondiente al número 101, ubicado a una altura de 1,20 m.

Nivel bajo: correspondiente al número 100, ubicado a una altura de 0,60 m. Con estos números, el programa realiza el reconocimiento del nivel en el cual se está midiendo y con la asignación de coordenadas el sector al que corresponden los valores; el dispositivo de medición se posiciona en la coordenada asignada para el sector 1 y tomará las medidas en los niveles 100, 101 y 102, posteriormente se pasa al sector 2, realizando de nuevo las mediciones en los niveles 100, 101 y 102 y continuará este proceso, hasta llegar al sector 6, repitiendo los pasos anteriores. Finalizadas las lecturas en este sector, se detiene manualmente. De no detenerse el proceso de medición, el sistema realizara una nueva toma de medidas iniciando en el sector 1. Algunas consideraciones para la toma de muestras, consisten en los tiempos que se tienen en cuenta para cada una de las mediciones, en este caso es necesario especificar el tiempo de muestreo que sugieren los fabricantes de los sensores. En la tabla 22 se muestra el tiempo de espera entre toma de muestras. Tabla 22. Tiempo de muestreo dado por lo sensores.

SENSOR TIEMPO DE MUESTREO [s]

Humedad (DHT11) 2

Temperatura (DHT11) 2

Luminosidad (BH1750) 0,1

Fuente: (Prometec, 2017), (Lamp, 2016). Una vez realizadas las mediciones se almacenará la información en la base de datos. Posterior a esto, se realiza la elaboración de las gráficas, tales como:

Gráficas de tendencia, las cuales permiten visualizar el valor de cada muestra (la cantidad de muestras es definida por el usuario que realizará la medida) en un tiempo determinado. Este tiempo dependerá de la cantidad de muestras, es decir, que si se quieren tomar 3 muestras se necesitará establecer un tiempo

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mínimo para la captura de datos, el cual corresponderá a 6 segundos. De acuerdo con lo establecido en la ecuación 1.

𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑒𝑜 = 2 ∗ 𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎𝑠 [1]

Gráficas 2D, estas hacen referencia a los valores compilados de los 6 sectores en un plano que comprende los ejes X y Y. se genera una gráfica para cada nivel. (Figura 28)

Figura 28. Grafica 2D.

Fuente: Autores.

Gráficas 3D. Estas tienen dos formas de visualización. La primera se muestra en los niveles 1, 2 y 3, ver figura 29, mostrando el comportamiento de la humedad relativa al interior del invernadero; y la segunda visualización, mostrará la predicción del comportamiento en las capas exteriores del cultivo, apoyándose en los datos de la primera visualización. Ver figura 30.

Figura 29. Plano 3D, capas interiores.

Fuente: Autores.

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Figura 30. Plano 3D, capas externas.

Fuente: Autores. Una vez el sistema de adquisición inicia la transmisión, de datos estos se almacenan y

se desarrolla el tratamiento de datos por medio del software MATLAB. Este tratamiento

se desarrolló en las siguientes etapas: Conexión con la base de datos en lectura y

escritura sobre esta, adquisición de datos por puerto serial, ordenar información,

obtención de graficas 2D, producción de mapas climáticos 2D y 3D; por último, guardar

información en la base de datos como variable de texto y los mapas climáticos además

de las gráficas 2D por medio de imagen.

Matlab realiza la conexión con la base de datos por medio de la sentencia mostrada en la figura 31, la cual permite la lectura y escritura en la base de datos. Todo esto con el fin de realizar la configuración del tiempo de adquisición además de la cantidad de muestras, teniendo en cuenta el número de naves que finalmente ingresará el usuario al igual que el tiempo de adquisición que recomienda cada sensor. La librería implementada igualmente permite que Matlab identifique si al leer el puerto serial se está recibiendo información o no, y si esta es correcta de acuerdo con los parámetros asignados para filtrar estos datos. En la figura 32 se evidencia como Matlab realiza la lectura por el puerto serial de datos que han sido enviados desde el módulo de adquisición. En caso de que Matlab detecte que los datos que se están recibiendo por el puerto serial no sean numéricos, o si la conexión no muestra signos de transmisión, esta cierra la comunicación con el puerto serial a la espera de que el operador revise la configuración y funcionamiento de la red. Una vez revisado el correcto funcionamiento de la red, se puede iniciar nuevamente la conexión con Matlab.

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Figura 31. Sentencia para conexión Matlab con MS SQL Server.

Fuente: Autores Figura 32. Captura de voltaje de prueba con Arduino por el puerto serial.

Fuente: Autores Una vez completados estos pasos, se da inicio a la adquisición de datos de acuerdo con los parámetros establecidos por el usuario. Para esto se estableció que Matlab creara un arreglo con los datos provenientes de los dispositivos de medición. Siendo así, se formó una matriz en donde se almacenan los datos de temperatura, humedad, luminosidad y el nivel de medición que se está monitoreando. Debido a que se tienen que consultar tres niveles, Matlab identifica por medio de un indicador asignado en el código de programación del controlador (100 – nivel bajo, 101 – nivel medio, 102 – nivel alto) a qué nivel pertenece cada valor recibido con el fin de organizarlo para su posterior

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tratamiento. En la figura 33 se muestra una de las instrucciones que se emplea para indicar el nivel en el cual se desea realizar la toma de datos. Figura 33. Código de programación controlador.

Fuente: Autores En la figura 34, se muestra la instrucción para llamar cada nivel y realizar de manera organizada la toma de muestras. Figura 34. Código de programación Matlab

Fuente: Autores

Una vez inicia el tiempo de muestreo, Matlab asigna hora y fecha para cada uno de los valores recibidos. Una vez almacenados los datos, inicia la producción de los mapas climáticos. En el caso de los mapas climáticos en 2D, estos se realizan por medio del comando “colormap” el cual asigna una matriz de colores para los gráficos de superficie que se realizan en forma de matriz 2D al realizar la adquisición de variables. De esta manera al tener una matriz exclusiva de cada variable por cada nivel, Matlab asigna un número entre 0 y 1 que define la intensidad del color de acuerdo al valor de máximo o mínimo de la variable seleccionada para graficar. La figura 35 muestra un mapa 2D de temperatura.

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Figura 35. Mapa de temperatura 2D utilizando el comando colormap y plano de tendencia de temperatura para el sector.

Fuente: Autores Al cambiar la configuración de colores se asigna una trama diferente para humedad y para cantidad de luz. Esta imagen la almacena Matlab para que una vez finalizado el tratamiento de datos, esta sea guardada en la base de datos y mostrada en la página web. Junto con los mapas climáticos 2D, también se presenta un gráfico de tendencias correspondiente a las medidas realizadas en el transcurso de tiempo para cada sector. Tal como se muestra en la figura 36. Estas tendencias representan el comportamiento de la variable durante el tiempo de muestreo en un sector, es decir que en la gráfica el eje Y representará el valor de la muestra y el eje X tiempo en el que se tomó la muestra, cabe aclarar que esta grafica se generara para cada sector en los tres niveles correspondientes. Figura 36. Plano de tendencia Luminosidad.

Fuente: Autores

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La figura 37 muestra un mapa climático que representa el comportamiento de cada nivel por separado es decir un plano 2D para cada nivel que permite ver el comportamiento interno de la nave; en este caso se utilizó un método de interpolación lineal de los valores ubicados en los puntos del plano asignado. Para el caso del plano 3D, se debe formar un vector de 3 dimensiones en donde estas son: posición del dispositivo en longitud, en latitud y en altura. Una vez Matlab identifica estos 3 factores realiza la implementación del código que permite realizar la construcción del mapa micro-climático de las capas externas de la nave teniendo en cuenta una única variable para cada caso. Figura 37. Mapa climático 3D, niveles separados.

Fuente: Autores La figura 38, muestra el comportamiento en conjunto de los tres niveles, en este caso se acudió a una interpolación por el método de spline que se basa en una interpolación cubica de los valores que se encuentran en los puntos de la cuadricula junto con los vecinos de este punto en cada dimensión, esta interpolación se basa en una spline cúbica que permite obtener un buen ajuste entre puntos.

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Figura 38. Mapa climático 3D, método Spline cubica.

Fuente: Autores Una vez obtenidos los valores de cada variable en todos los niveles y sectores respectivamente, y finalizado el tratamiento de datos, se realiza el almacenamiento en la base de datos por medio de la sentencia mostrada en la figura 39. Figura 39 Conexión entre base de datos y Matlab.

Fuente: Autores Para cada uno de los resultados obtenidos se debe realizar una conexión que permita llenar cada tabla, esto incluidas las imágenes. Finalmente, la base de datos se conecta con la página web que permite realizar la consulta de los resultados obtenidos con el software.

58

3. INTERFAZ

La aplicación tiene una página web que es la encargada de mostrar y visualizar, es decir que los datos y archivos generados estarán guardados en la base de datos y por medio de un servidor la información almacenada en esta base de datos puede ser dirigida hacia un sitio web. Por lo tanto, en el aplicativo se podrá observar la información almacenada en la base de datos de forma automática o manual de las tarjetas inalámbricas Xbee, se podrá realizar registros de nuevos invernaderos, además de realizar consultas de invernaderos ya existentes. Dentro de la organización del aplicativo se manejaron 3 formularios (tabla 20), el primero de ellos es el que corresponde a la página de inicio, donde se tiene el nombre del proyecto y una sección especial para el ingreso de los usuarios, mediante un nombre de usuario y una clave ya asignada; después de un proceso de validación de datos, permite el acceso a el segundo formulario, el cual permite realizar la configuración de los parámetros iniciales para la adquisición de datos de manera automática, dentro de los cuales encontramos: puerto serie, por el cual se realizará el enlace del coordinador y router; tiempo de espera entre sectores, este parámetro esta dado de acuerdo al tiempo que se requiera para el posicionamiento del dispositivo de medición, y el tiempo de muestreo y cantidad de muestras que se quieren tomar en cada sector. Después de haber incorporado esta información, la aplicación validará estos datos y dará paso al tercer formulario propuesto, el cual consiste en el registro de invernaderos; esto con el fin de tener registro de variedad de invernaderos dentro de una localidad, es decir que la aplicación permite la implementación del sistema en diferentes invernaderos, almacenando la información de manera organizada. De acuerdo a esto, se tiene un identificador de invernadero que debe ser único, un nombre, la localización, el número de naves que tiene el invernadero y finalmente, las dimensiones de cada nave, con el fin de generar una coordenada para el posicionamiento del dispositivo de medición.

3.1 FORMULARIOS

3.1.1 Formulario de inicio

En este formulario se ingresa el usuario y la contraseña asignadas (figura 40) para el personal que realizará el monitoreo de las variables en el cultivo.

59

Para el registro de nuevos usuarios es necesario realizar la modificación en la base de datos, de tal manera que, al realizar la validación, tanto el usuario como la clave introducidos coincidan con lo registrado en la base de datos. Figura 40. Formulario de inicio.

Fuente: Autores

3.1.2 Formulario configuración toma de datos

Después de obtener el acceso al aplicativo se visualizará un formulario para la

configuración de adquisición de datos (figura 41), por lo tanto, se tendrán

características propias de los equipos a utilizar para dicha adquisición, es el caso

del sensor de temperatura y humedad DHT11 y sensor de luminosidad BH1750:

Puerto serial (Efectuar la comunicación)

Tiempo de espera entre sectores, para lograr tomar los datos completamente en

cada sector del cultivo.

Tiempo de muestreo para este aplicativo. Se sugiere que por lo menos el tiempo

de muestreo sea igual al número de muestras.

Cantidad de muestras que se quieren tomar por nivel en cada sector.

60

Figura 41. Formulario toma de datos.

Fuente: Autores.

3.1.3 Formulario registro de invernaderos

Finalmente se tienen que registrar los datos específicos del invernadero en el cual se desea realizar la toma de muestras (figura 42) para ello se requiere:

La identificación del invernadero, este debe ser un número único para cada invernadero.

El nombre del invernadero.

La localización del invernadero, haciendo así que el sistema sea portable hacia otros invernaderos.

Cantidad de naves del invernadero, haciendo que sea aplicable a invernaderos con diferentes características estructurales.

Dimensiones de las naves, ancho y largo, en metros.

61

Figura 42. Formulario registro de invernaderos.

Fuente: Autores Algunas de las actividades que puede ejecutar el usuario al tener acceso a la plataforma de monitoreo de variables climáticas para agricultura protegida son:

Realizar consultas de invernaderos ya registrados los cuales puede modificar, de acuerdo con la toma de datos que desee realizar.

Consultar los datos ya almacenados de muestras pasadas, por nombre de invernadero.

Tener acceso a los datos almacenados en la base de datos por día de toma de muestra hora y lugar.

Acceso a los mapas climáticos en 2 y 3 dimensiones generados en muestras tomadas en el pasado.

Visualizar en tiempo real la toma de datos de manera manual y ver mapas climáticos de la toma recién realizada.

3.2 PÁGINA WEB

A continuación, se presenta el mapa de navegación web de la aplicación (Figura 43),

teniendo en cuenta las actividades que el usuario puede realizar en el sitio.

62

Figura 43.Mapa de navegación aplicación web.

Fuente: Autores

63

Este mapa de navegación es de tipo jerárquico, ya que se comienza por una página

principal y de allí se presentan varias opciones que permiten ir visualizando de manera

organizada la información, de esta manera se puede visitar cada ítem por aparte

permitiendo tener información específica de cada proceso que se realiza en la

aplicación. La página de inicio en donde se encuentra el módulo de validación de

usuario se conecta inmediatamente con la página de bienvenida, a partir de esta página

se encuentran las ventanas de configuración, invernaderos, módulo automático,

consulta manual y consultas previas, en donde se encuentran las consultas manuales

realizadas previamente.

3.2.1 Página de inicio

En Visual Studio se diseñó la página web para el inicio de sesión y para la visualización

de resultados. Para dar inicio a la navegabilidad de la página es necesario ejecutar

desde visual Studio, de esta manera el programa direccionara la página de inicio de

sesión de la aplicación por medio de Google Chrome (Figura 44).

Figura 44. Ejecución de la página desde Visual Studio.

Fuente: Autores

64

Para el inicio de sesión el formulario de acceso está compuesto por dos cajas de texto y

un botón. El proceso consiste en escribir el nombre de usuario y una clave, luego la

persona debe hacer clic en el botón ingresar (figura 45), por medio de esta acción se

compara la información diligenciada con la que está almacenada en la tabla

“usersTable”,la cual contiene los usuarios que están registrados para el uso de la

plataforma, dichos usuarios son autorizados por el administrador del sistema, entonces

si el resultado es correcto entonces se abrirá automáticamente la página “Default” o

bienvenida al sistema, si el usuario o la clave son erróneos aparecerá un mensaje que

informa de un error en los datos ingresados (figura 46).

Figura 45. Diseño módulo de inicio de sesión.

Fuente: Autores.

Figura 46. Mensaje de error al ingresar datos no autorizados o falsos.

Fuente: Autores

65

3.2.2 Páginas de usuario

En la figura 47 está la página de bienvenida al sistema de consulta, está conformada

por los accesos a las páginas de: invernaderos, modo automático, consulta manual,

consultas previas y menú de configuración o salida.

Figura 47. Página de bienvenida de la aplicación.

Fuente: Autores.

En la página de inicio, al costado superior derecho, se encuentra el nombre del usuario que ha iniciado sesión. Al dar clic en la flecha se despliega un menú con las opciones: configuración y salir. Para el caso de configuración se accederá a una nueva página y en el caso de salir, esta lo dirigirá a la página de acceso (figura 48).

1. Al ingresar a la página de configuración, se encuentra un formulario en donde se establecen los parámetros iniciales para la toma de datos, los cuales son:

2. Puerto serial: este corresponde al puerto USB en donde se conectará la tarjeta

de comunicación Xbee, que funcionará como coordinador de la red.

3. Tiempo de espera – sectores: debido a que el dispositivo de medición construido es móvil y debe posicionarse en 6 sectores diferentes dentro de la nave, se asigna un tiempo para este desplazamiento en donde el sistema no realiza mediciones.

66

4. Cantidad de muestras: es la cantidad de datos se quiere obtener de cada variable

en cada nivel.

Figura 48. Configuración inicial de usuario

Fuente: Autores Al ubicar el puntero sobre la pestaña de invernaderos se despliega el menú registrar que corresponde al formulario de inscripción de los invernaderos en donde se realizaran las mediciones. El formulario está conformado por el número de identificación, que corresponde a un número único asignado por el usuario al invernadero que va a registrar. El siguiente dato corresponde al nombre del invernadero. Se debe ingresar la ubicación, en forma de municipio o ciudad en donde se encuentra el invernadero. Finalmente se selecciona la cantidad de naves que posee el invernadero (máximo 6 naves en este caso) y para cada nave se ingresaran las dimensiones en metros de ancho y largo. El botón aceptar ubicado en la parte inferior de este formulario permite registrar la información a la base de datos (figura 49).

67

Figura 49. Página de registro de invernaderos

Fuente: Autores. La pestaña modo automático, le permite al usuario realizar una toma de datos completa de manera automática tantas veces como lo desee, esta ventana posee tres secciones, correspondientes a parámetros, datos y gráficas. (Figura 50) La ventana de parámetros ofrece la información de los invernaderos ingresados a la base de datos. Al costado izquierdo se encuentra una flecha que despliega el nombre de los invernaderos registrados; en seguida se encuentra la lista correspondiente a las naves que posee el invernadero. Al seleccionar la nave de interés, se muestran las dimensiones de esta. La finalidad del ingreso de las dimensiones de las naves, se aprecia al costado derecho de la pantalla ya que la aplicación sugiere el posicionamiento del dispositivo de medición en cada sector, generando una coordenada de posición (largo y ancho de la nave). Finalmente, al hacer clic en el botón aceptar se comenzará con la toma de muestras de manera automática, es decir que el dispositivo de medición en ese momento debe estar ubicado en el sector 1 para comenzar con la toma de datos.

68

Figura 50. Página de modo automático y despliegue de pestañas.

Fuente: Autores La tabla que aparece en la página de modo automático se muestran las coordenadas de posicionamiento del dispositivo de medición en cada sector estas dimensiones están dadas en metros. La ventana de datos que contiene el menú de modo automático permite visualizar una tabla que contiene el nombre del invernadero donde se realiza la toma de muestras, la nave en la que se realiza la medición, la fecha y la hora en que se toma cada muestra, el sector en que se realiza la medición, el nivel y finalmente los valores de cada variable (figura 51). Esta tabla se actualiza cada vez que se complete la medición en la nave, es decir las muestras del sector 1 al 6 en los tres niveles.

69

Figura 51. Página modo automático, pestaña datos.

Fuente: Autores.

La pestaña graficas despliega las opciones 2d y 3d, para el caso de las 2d en el costado

izquierdo se encuentran tres iconos que indican las variables de temperatura, humedad

y luminosidad, esto seguido de una tabla en donde se muestran los valores tomados en

cada sector y cada nivel. En el costado derecho de la página se muestra el plano en 2d

del comportamiento de cada variable de acuerdo a la selección realizada en los iconos

del costado izquierdo, finalmente se observa en la parte derecha inferior un gráfico de

tendencia que muestra el comportamiento de cada variable en cada sector por nivel

(figura 52).

70

Figura 52. Página modo automático, pestaña: gráficas.

Fuente: Autores.

Para el caso de la opción 3d se tienen las gráficas que describen el comportamiento de la variable seccionada al interior por planos en nivel y el comportamiento de la variable en las capas externas (figura 53). El proceso de sección de las gráficas es el mismo que para el caso de las gráficas 2d.

Figura 53. Página modo automático, pestaña 3D.

Fuente: Autores.

71

En la figura 54 se muestra el modo manual, permite realizar la adquisición de los datos de las variables 1 sola vez es decir que finalizará el proceso de adquisición una vez haya obtenido todos los datos por sector y nivel, se realiza la implementación de esta ventana si el usuario quiere realizar una medición general del invernadero en un momento especifico. Figura 54. Página modo manual.

Fuente: Autores.

Finalmente, los datos de la toma manual podrán ser visualizados en la pestaña de consultas previas (figura 55), donde al igual que el modo automático se tiene una tabla que indica el dato que tienen cada variable en la toma, y los gráficos generados en esta toma.

Figura 55. Página de consultas previas.

Fuente: Autores.

72

4. VALIDACIÓN DEL SISTEMA

El proceso de validación se desarrolló siguiendo el modelo de la figura 56. Las pruebas

se desarrollaron en los invernaderos de Corpoica, ubicados en el municipio de

Mosquera. El cultivo de rosas fue seleccionado para la prueba. Se implementó una red

con 5 dispositivos de comunicación, entre los cuales están los dispositivos finales, un

router y un coordinador.

Figura 56. Modelo de validación del sistema.

Fuente: Autores.

1. Configuración inicial toma de

datos.

2. Medidas de la nave (largo y

ancho en metros)

3.Registro del invernadero y caracteristicas

generales.

4.Ubicación 3 niveles en altura

(3/3 planta)

5. Ubicación base de medición en la coordenada uno.

6. Adquisición de datos mediante

aplicativo.

7. Consulta en la página web.

73

De acuerdo con el modelo presentado:

1. Establecer la configuración inicial para la toma de muestra, en este punto se especificarán los datos de entrada al sistema, correspondientes a puerto seria (Canal para establecer la comunicación), tiempo de espera entre sectores (estimar tiempo para posicionar instrumento de medición), tiempo de muestreo y cantidad de muestras a tomar.

2. Medidas de la nave largo y ancho, medidas que deben ser ingresadas en metros.

3. Registro del invernadero; comprende un número de identificación único o ID, el nombre del invernadero, la localización del invernadero y las dimensiones de la nave (largo y ancho)

4. Ubicar los 3 niveles que corresponden a los 3/3 de la planta; para esto se elaboró una base de medición en tubo PVC (Policloruro de vinilo) que permite ubicar los dispositivos electrónicos en las siguientes alturas:

Nivel bajo 0.6 m.

Nivel medio 1.20 m.

Nivel alto 1.80 m.

La base de medición permite reconfigurar las alturas de acuerdo a las

características del cultivo (crecimiento progresivo de la flor). Finalmente, para la

instalación de los dispositivos electrónicos se utiliza una placa en acrílico sujeta a

unos ángulos por medio de abrazaderas, en la figura 57 y 58 se observa la

distribución de la base de medición.

Los planos de la base de medición se pueden ver en el anexo 6 (Base soporte de

medición), anexo 7 (Codo PVC base piso), anexo 8 (Tubo conector base de piso)

y anexo 9 (T PVC base piso). Los tubos utilizados para ubicar las bases en L se

encuentran en el anexo 10 (Tubos PVC base piso). Los planos de la base en L

que soporta el dispositivo de medición corresponden al anexo 11 (Base en L

soporte de medición). El plano anexo 12 corresponde a la base del dispositivo de

medición.

Para el deslazamiento es posible desarmar la base, el sistema permite un fácil

ensamble de sus partes, adicionalmente se puede configurar para adaptarse a las

irregularidades que puede presentar el terreno, de manera que los dispositivos de

medición se mantienen perfectamente orientados al momento de realizar las

mediciones.

74

Figura 57. Módulos de medición en los tercios de la planta.

Fuente: Autores

Figura 58. Base de Dispositivos electrónicos.

Fuente: Autores

75

5. Una vez ubicados los 3 niveles de medición, se establecen las coordenadas

para realizar la medición en cada nave utilizando las medidas de largo y

ancho, las cuales son procesadas por el sistema, con el fin de calcular el

centroíde de cada uno de los sectores; para todos los casos, la nave estará

dividida en 6 sectores, además se sugerirán las coordenadas como se

muestra en la figura 59 y en la figura 60.

Figura 59. Coordenadas por sectores en una nave.

Fuente: Autores

Figura 60. Posición de sensores por sector.

Fuente: Autores

Los planos del cultivo y los centroides se pueden ver en el anexo 13 (nave1

invernadero 2 Corpoica), además el plano de distribución y configuración de la red

se encuentra en el anexo 14 (Coordenadas y configuración de red).

76

6. Posicionado el dispositivo en la coordenada inicial que es largo (x) 5 metros

y ancho (y) 6.75 metros correspondiente al sector 1, se dará inicio a la

adquisición de datos por medio del aplicativo, y mediante Matlab se

realizará el tratamiento de los datos para cada nivel y cada sector.

Finalmente, se observan los datos en la página web consultando por

historial, gráficas 2D y gráficas 3D.

La tabla 23, presenta algunos datos obtenidos por el sistema (anexo 15). En ésta

se indica el invernadero, la nave, la hora y fecha, el sector de medición y el nivel,

para cada una de las variables. Los datos corresponden al promedio de las

medidas que se realizaron en cada nivel y cada sector. Es decir que, si se tomaron

7 muestras en el nivel 1 del sector 1, la tabla presenta un único dato que

corresponde al promedio de las 7 medidas realizadas.

Tabla 23 Datos obtenidos realizando pruebas de campo.

Fuente: Autores

Los datos obtenidos corresponden a un invernadero que no posee control de sus

variables micro-climáticas. Aunque los datos medidos están fuera del rango de los

requerimientos óptimos para las rosas: Temperatura cultivo de rosas: 18°C –

25°C, humedad relativa cultivo de rosas: 60% - 70%, Luminosidad: rango estables

60000 lux.(Grupasa, 2017); esto no es un indicador de error del dispositivo.

77

Las condiciones generales del cultivo fueron día seco y soleado, se observó suelo

seco en el interior del invernadero. En el caso del nivel alto, se presentan los

mayores niveles de luminosidad y temperatura con 50281 Lux y 36°C debido a

que las plantas no están haciendo sombra entre ellas. La temperatura de los 3

niveles se encuentra entre 28°C y 36°C Siendo la menor temperatura

correspondiente al nivel bajo debido a la sombra ofrecida por las plantas. La

humedad en los niveles medio y alto se encuentran en un rango de 28% a 30%,

para el nivel bajo de un 19% y 20%.

El fenómeno por el cual la humedad relativa se encontró en mayor porcentaje a la

altura del segundo tercio (nivel medio) y del tercer tercio (nivel alto) es conocido

como evapotranspiración. El estudio de Hanks encontró que para madurar el

cultivo fue necesario aplicar 620 mm3 de agua procedente de lluvia, donde el 25%

se evaporó directamente del suelo y el 75% se transpiró a través de la planta.

(Vargas, 2011), los tercios en donde se acumula mayor follaje (nivel 2 y 3) son en

donde aumenta la humedad relativa del aire al ocurrir este fenómeno.

La incertidumbre presente en las medidas de temperatura, corresponde a ±0.55°C.

Esta se determinó a partir de las barras de error de la figura 61. Para hallar la

incertidumbre del sensor BHT11, se cotejaron las medidas de este sensor

respecto a las medidas del anemómetro 3650 con certificado de calibración y

mantenimiento número 3650-9099688, anexo 16. La tabla 24, presenta los

resultados obtenidos para 5 medidas por cada valor de referencia.

Tabla 24 Temperatura Anemómetro vs DHT11

Anemómetro (°C)

DHT11 (°C)

DHT11 (°C)

DHT11 (°C)

DHT11 (°C)

DHT11 (°C)

Promedio ∆T=± variable °C

10 10 10 11 10 11 10,4 0,5

15 15 14 14 15 16 14,8 1

20 19 20 20 20 20 19,8 0,5

25 24 25 26 26 25 25,2 1

30 30 30 31 30 31 30,4 0,5

Fuente: Autores.

Figura 61 Temperatura anemómetro 3650 vs DTH11

78

Fuente: Autores.

Para la variable humedad relativa en el aire, la figura 62 contiene las barras de

error correspondiente a los datos comparados entre el anemómetro 3650 y el

sensor DHT11 (tabla 25). En este caso se repitió el mismo procedimiento para la

variable temperatura. La incertidumbre obtenida corresponde al ±1.9%.

Tabla 25 Humedad relativa Anemómetro vs DHT11

Anemómetro H(%)

DHT11 H(%)

DHT11 H(%)

DHT11 H(%)

DHT11 H(%)

DHT11 H(%)

Promedio H(%)

∆H=±variable H%

20 17 17 19 17 19 17,8 1

25 23 22 22 23 24 22,8 1

30 28 28 29 29 30 28,8 1

35 33 33 33 34 33 33,2 0,5

40 38 38 39 39 38 38,4 0,5

Fuente: Autores.

79

Figura 62. humedad relativa anemómetro vs. DHT11

Fuente: Autores.

El modelo usado para obtener la incertidumbre del sensor DHT11, se usó

igualmente para el sensor BH1750 (tabla 26). En la figura 63, se aprecian las

barras de error. Dando como resultado una incertidumbre de ±12 Lux. El equipo

con el que se comparó el sensor BH1750 es un luxómetro MEKET con certificado

de calibración 49753, el cual se encuentra en el anexo 17.

Tabla 26 Luminosidad, Luxómetro vs BH1750

Luxómetro (L)

BH1750 (L)

BH1750 (L)

BH1750 (L)

BH1750 (L)

BH1750 (L)

Promedio ∆L=± variable L

0 0 0 0 0 0 0 0

150 146 141 133 146 141 141,4 6,5

300 287 287 292 281 286 286,6 5,5

450 431 436 439 441 439 437,2 5

600 576 588 590 588 589 586,2 7

Fuente: Autores.

80

Figura 63 Luxómetro Metek vs BH1750

Fuente: Autores.

7. Finalmente, las gráficas obtenidas para las variables temperatura, humedad

relativa y luminosidad se muestran en la figura 64, correspondiente a los

mapas climáticos en 2 dimensiones que predicen el comportamiento en las

capas interiores de la nave y los mapas en 3 dimensiones que predicen el

comportamiento de la nave en las capas exteriores.

Figura 64. Comportamientos variables de temperatura, humedad y luminosidad.

81

Fuente: Autores

82

4.2 COSTO DE IMPLEMENTACIÓN

Para la implementación del sistema de monitoreo de variables climáticas bajo

invernadero se deben considerar aspectos tales como el recurso humano

requerido para la instalación y programación de los equipos requeridos, además

se contemplan el costo de los equipos electrónicos y diseño de circuitos para el

funcionamiento del sistema, adicional el gasto implícito en energía (baterías

recargables) para colocar en marcha el sistema. Finalmente, se tendrá en cuenta

el traslado y viáticos ya que la localización de invernaderos varía de acuerdo a la

localidad, barrio o municipio en donde se requiera el sistema (tabla 27).

Tabla 27. Tabla de costos puesta en marcha del sistema.

Fuente: Autores

83

5. CONCLUSIONES

Las variables climáticas temperatura (°C), humedad relativa (%) y luminosidad

(lux), fueron definidas debido a su importancia para el desarrollo de los cultivos

bajo invernadero. La temperatura y la humedad relativa en el ambiente son

factores determinantes para el crecimiento de las rosas; sin control se pueden

producir enfermedades, abortos florales y afectación en el cuaje. En el caso de la

iluminación, esta es la base de la fotosíntesis aumentando la producción y

acortando tiempos de crecimiento para cosecha; además de permitir evaluar la

vida útil de la película protectora del invernadero.

A partir del modelo de validación del sistema, se propone una metodología para la

medición de las variables climáticas seleccionadas, que consiste en la

implementación de una red inalámbrica de configuración flexible, para realizar la

medición de temperatura, humedad y luminosidad, en las naves de los

invernaderos. Para ello se establecen seis sectores en el plano de piso junto con

tres niveles correspondientes a la altura de la planta. La medición inicia en el

sector uno- nivel uno, finalizando en el sector 6-nivel 3.

La estructura del sistema inalámbrico comprende el nivel físico, correspondiente a

una red de tipo estrella que cuenta con un único coordinador y múltiples nodos,

que se adjudican a cada dispositivo de medición. La topología lógica

implementada es de tipo Hub-Polling, que al abrir la comunicación permite a los

dispositivos de medición enviar la información de manera organizada y dar el

permiso de transmisión del siguiente dispositivo, únicamente cuando haya

finalizado el envío de las variables medidas. Esto quiere decir que transmitirá

información de manera continua, iniciando en el sector uno-nivel uno, continuando

con el sector uno-nivel dos, hasta llegar al sector 6-nivel 3 y así reiniciar el proceso

de adquisición.

Se implementó un sistema de información que comprende una base de datos y

una página web y un usuario. La base de datos cuenta con toda la información

que comprende el cultivo, desde el nombre del invernadero, hasta las variables

que se han medido con los dispositivos de medición. La página web es el medio

para la consulta de estos datos, esta permite acceder a información como:

ubicación, nombre del invernadero, fecha y hora, el tipo de variable o los mapas

climáticos. De esta manera se asegura que el usuario, podrá realizar sus

consultas.

Por medio del software Matlab, se creó una aplicación capaz de elaborar mapas

climáticos básicos, que permiten predecir el micro-clima del invernadero en dos

84

dimensiones, para conocer el comportamiento interno de la nave. y en 3

dimensiones, para predecir el comportamiento externo del micro-clima en la nave.

Se construyó un sistema que comprende una red inalámbrica flexible, para medir:

temperatura, humedad y cantidad de luz. Adicionalmente, cuenta con un software

exclusivo para el tratamiento de datos y una base de datos, donde se almacenan

los mapas climáticos generados, para ser consultados finalmente en una página

web.

La red de comunicación inalámbrica permite medir las variables de humedad,

temperatura y luminosidad, con una incertidumbre correspondiente a: ±1.9% de

humedad relativa, ±0.55°C y ±12 lumen, bajo las configuraciones sugeridas por los

fabricantes. Esta permite conocer el comportamiento climático a partir de la

construcción de mapas en 2 y 3 dimensiones.

85

RECOMENDACIONES

Implementar sensores, controlador y baterías con protección IP 66 o IP 67.

Esto se debe a la necesidad de contar con equipos que soporten las

difíciles condiciones climáticas dentro de los invernaderos, pues estos se

someten a riegos de agua y fertilizantes, además del tránsito recurrente en

estos.

El uso de baterías externas es una buena fuente de energía para estos

dispositivos debido a su bajo consumo, por esta misma razón se

recomienda evaluar la posibilidad de hacerlos autónomos utilizando energía

solar.

Es posible aumentar, cambiar o disminuir la cantidad de variables a medir,

esto depende de la necesidad del agricultor. Debido a la flexibilidad del

sistema, este se puede modificar para cambiar las variables que se desean

sensar. Por otro lado, se puede aumentar la cantidad de dispositivos de red,

para aumentar la cobertura de esta.

Es recomendable implementar el uso de sensores de humedad relativa en

el suelo versus humedad relativa en el aire para complementar las

mediciones del primer tercio.

La base de datos permite ser consultada, de tal manera que la información

almacenada no está sujeta únicamente a la construcción de mapas

climáticos. Teniendo así la posibilidad de implementar nuevas aplicaciones

en torno a esta información,

Se recomienda el uso de servidores redundantes para conservar la

integridad de la información en caso de falla del sistema.

Se sugiere realizar la programación del sistema de consulta de la base de

datos en una aplicación para consulta remota, que puede ser vía web, con

el fin de acceder a los datos obtenidos desde diversos equipos.

86

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Wakerly, J. F. (2001). Diseño Digital, Principios y Pràcticas. Mexico: Pearson Hall

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ANEXOS

89

ANEXO 1 (Data Sheet Arduino UNO)

Fuente: (Arduino, 2018) En la figura se muestra el datasheet de la placa Arduino UNO, con el fin de realizar el diagrama de conexión para diferentes aplicaciones.

Fuente: (Arduino, 2018)

ANEXO 2

(Data Sheet XBEE)

90

Fuente: (Digi, 2018)

ANEXO 3 (Diagrama de conexión DHT11)

91

Fuente: (UK, 2010)

Fuente: (UK, 2010)

92

Fuente: (UK, 2010)

Fuente: (UK, 2010)

93

ANEXO 4 (Diagrama de conexión BH1750)

Fuente: (Technologies, 2018)

Fuente: (Technologies, 2018)

94

ANEXO 5 (Plano electrónico)

Fuente: Autores

95

ANEXO 6 Base soporte de medición

Fuente: Autores

96

ANEXO 7 Codo PVC base piso

Fuente: Autores

97

ANEXO 8 Tubo conector base de piso

Fuente: Autores

98

ANEXO 9 Plano de cultivo

Fuente: Autores

99

ANEXO 10 Tubos PVC base piso

Fuente: Autores

100

ANEXO 11 Base en L soporte de medición

Fuente: Autores

101

ANEXO 12 Base dispositivo de medición

Fuente: Autores

102

ANEXO 13 NAVE 1 INVERNADERO 2

Fuente: Autores

103

ANEXO 14 Plano de configuración de red.

Fuente: Autores

104

ANEXO 15 (Toma de muestras)

Figura 65 Invernadero Corpoica_2 2018-03-10 11:09

Fuente: Autores.

Figura 66. Invernadero Corpoica_2 2018-03-10 11:02

Fuente: Autores

105

Figura 67. Invernadero Corpoica_2 2018-03-10 10:55

Fuente: Autores.

Figura 68. Invernadero Corpoica_2 2018-03-10 10:48

Fuente: Autores.

106

Figura 69. Invernadero Corpoica_2 2018-03-10 10:28

Fuente: Autores.

Figura 70 Grafico 2D temperatura Corpoica_2 2018-03-10

Fuente: Autores.

107

Figura 71 Grafico 2D Humedad relativa Corpoica_2 2018-03-10

Fuente: Autores.

Figura 72 Grafico 2D luminosidad Corpoica_2 2018-03-10

Fuente: Autores.

108

Figura 73 Grafico 3D temperatura Corpoica_2 2018-03-10

Fuente: Autores.

Figura 74 Grafico 3D Humedad relativa Corpoica_2 2018-03-10

Fuente: Autores

109

ANEXO 16

Certificado de calibración Anemómetro 3650.

110

ANEXO 17

Certificado de calibración Luxometro Metek

111

ANEXO 18 (Manual del usuario)

MANUAL DE USUARIO

IMPLEMENTACIÓN DE RED INALÁMBRICA PARA MEDIR VARIABLES

CLIMÁTICAS EN AGRICULTURA PROTEGIDA

ACERCA DEL MANUAL En este manual se explica paso a paso y de forma gráfica, como usted debe hacer uso del sistema de adquisición de variables climáticas en un invernadero, además algunas de las opciones de configuración de hardware y software que puede implementar el sistema de acuerdo con el requerimiento de cultivo. Se presenta la forma de navegabilidad de la página de web, con el fin de tener una experiencia grata que logre satisfacer completamente las expectativas y necesidades de información que requiera el usuario. PUESTA A PUNTO DE EQUIPOS DE MEDICIÓN

Módulos electrónicos de medición Se inicia con la configuración del hardware que posee el sistema. Para ello se tiene en cuenta la disposición de cada uno de los elementos que lo conforman iniciando por la distribución de las tarjetas electrónicas (xbee, arduino uno) y los sensores que realizaran la medición. En la figura 69 se observa la distribución de

112

dichos dispositivos de acuerdo con el diseño de los circuitos PCB implementados. El plano eléctrico se encuentra en la figura 68. Figura 75 Plano eléctrico dispositivo de medición.

Fuente: Autores.

113

Figura 76. Tarjetas electrónicas dispuestas en el circuito PCB.

Fuente: Autores Se debe tener en cuenta que la disposición de estos dispositivos es la misma para los tres módulos requeridos (nivel bajo, medio y alto)

Base de medición del sistema El anclaje de los módulos de medición electrónica se realizará a una base de medición del sistema, la cual se compone de un soporte de cuatro conectores y con un extensor primario de 1,10 metros (m) al cual se sujetará el módulo de medición electrónico correspondiente al nivel bajo, adicional a esto se tiene un extensor secundario de 1,50 (m) que permite el anclaje de los módulos de medición electrónicos en los niveles medio y alto. Observación: La distancia entre niveles estará sujeta a la altura de la planta, para este caso puntual se toman los tres tercios de la planta para realizar la medición. Para el caso de cultivo de rosas, esta distancia de niveles estará dada por el crecimiento de la planta, en este caso el tallo de la rosa estaba alrededor de los 1.80 (m) por lo tanto la distribución por niveles de los módulos de medición de realizó cada 0.60 (m). (figura 70)

114

Figura 77. Distribución en base de medición de los módulos electrónicos.

Fuente: Autores

Disposición de baterías portables Se realiza la distribución de las baterías recargables debajo de cada módulo de medición electrónico, para ello solo es necesario sujetarlo por medio de abrazaderas con el fin que sean de fácil acceso en caso de requerir algún cambio por gasto energético; sin embargo, mediante las pruebas realizadas el consumo energético del sistema es bajo, de tal manera que el cambio de baterías por gasto energético podrá realizarse cada día de por medio si el sistema funciona continuamente. En la figura 2, se observa la ubicación de estas debajo de cada módulo. Una vez realizado este proceso de distribución de equipos se continúa con la configuración en software de los mismos.

115

Configuración en software de módulos de medición Para la configuración de módulo de medición se deben tener en cuenta los siguientes programas:

Software Arduino, con librerías para configuración de sensores DHT11 y BTH1750. En este caso se debe realizar la instalación del software de Arduino el cual se puede obtener del siguiente link: https://www.arduino.cc/en/Main/Software. La librería del sensor DHT 11 se encuentra en: https://docs.google.com/file/d/0B0hsUkhqWH97NnM5QWZlN0ZsYVE/edit Para el sensor BH1750 puede descargar la librería del siguiente link: https://github.com/claws/BH1750 Una vez instalado el software Arduino, se deben guardar las librerías de los sensores en la carpeta Library que se encuentra en la carpeta de instalación del Software. El código que debe implementar para cada controlador es proporcionado por el proveedor del servicio, en donde únicamente debe asignar a la configuración de cada nivel el número 100, 101 y 102 teniendo en cuenta que estos representan bajo, medio y alto respectivamente. En la figura 71 encontrara el lugar en donde debe cambiar los valores mencionados anteriormente.

Figura 78 Código del controlador e indicador de nivel.

Fuente: Autores.

116

Software tarjetas de comunicación xbee, X-CTU. El software X-CTU se debe descargar de: https://www.digi.com/products/xbee-rf-solutions/xctu-software/xctu#productsupport-utilities

Visual Studio 2015. Programa para desarrollo de interfaz web. Versión 14.0.25431.01

Matlab. Software para procesamiento de datos. Versión 9.2.0.538062 SQL Server 2014. Motor de base de datos para almacenar variables.

Versión 12.0.2000.8

En los casos de Visual Studio, Matlab y SQL Server, serán proporcionados y configurados por el proveedor del servicio al momento de la instalación en el equipo destinado para la conexión de la estación de monitoreo. USO DE SITIO WEB Se presenta la forma de navegabilidad dentro del aplicativo web para la adquisición y visualización de los datos (figura 72) Figura 79. Adquisición y visualización de datos.

Fuente: Autores Mediante el siguiente formulario se realiza el inicio de sesión del administrador en el sistema. Cada usuario será registrado en la base de datos y se le asignará una única clave para cada uno de acuerdo a la configuración realizada por el proveedor. En caso de pérdida u olvido de la clave y usuario deberá comunicarse con el proveedor del sistema. En la figura 73 se encuentra la página de inicio con que cuenta la web de visualización. Para ingresar al sistema es indispensable tener los dos datos; de no ser así se mostrará un mensaje de error y al mismo tiempo se le impedirá el ingreso.

1. Inicio de sesión

administrador del sistema

2. Configuración inicial para la

toma de datos

3. Registro del invernadero y características

generales

4. Adquisición de datos

5. Visualización de resultados

mediante página web.

117

Figura 80. Formulario de ingreso al sistema.

Fuente: Autores

Una vez ingresado al sistema se continúa con la configuración inicial de los parámetros para la adquisición de datos, teniendo en cuenta que el menor tiempo de muestreo debe ser de 2 segundos debido a la velocidad de respuesta del sensor DHT11, que es el que toma mayor tiempo entre muestras (figura 74). Figura 81. Configuración inicial para adquisición de datos

Fuente: Autores

118

El puerto serial se asigna de acuerdo a la información que le aporta la

ventana de administración de dispositivo a la cual se puede acceder desde la información del sistema en el panel de control.

El tiempo de espera – sectores se configura de acuerdo al tiempo que se

toma en el desplazamiento entre las coordenadas sugeridas para cada sector.

El tiempo de muestreo debe respetar el tiempo de al menos 2 segundos.

La cantidad de muestras corresponde a los datos que deseo obtener para

cada sensor y cada punto de medición.

Después de realizada la configuración de los parámetros para la adquisición se continua con el registro del invernadero y las características básicas de mismo, tales como, numero de naves y dimensiones largo y ancho de nave en metros, como se muestra en la figura 75. Figura 82. Registro de invernadero.

Fuente: Autores

119

Los valores que se ingresan en la ventana anterior corresponden a los que destine el usuario para la identificación de los invernaderos además de las medidas con las que cuenta cada nave del invernadero en el cual se realizaran las mediciones. Una vez aceptadas las condiciones de medición y los parámetros del invernadero, la página web dirección al usuario a una ventana donde le sugiere las coordenadas donde se debe ubicar el módulo de medición en una distribución de 6 sectores por nave, En la figura 76 se muestra la página con los parámetros acordados para la adquisición una vez revisados estos de continua con la adquisición para su posterior visualización. (figura 77) La navegación en la página web es intuitiva, esta le permite por medio de unos cuantos clics, acceder a la información que solicita. Para ver el historial de mediciones realizadas de manera automática debe acceder a la venta Modo automático – Parámetros. Para ver los planos 2D o 3D igualmente debe recurrir a la ventana de Modo automático y seleccionar que tipo de mapa climático desea consultar. Para la visualización de temperatura encontrará un botón con un termómetro, para humedad un botón con una gota de agua y para luminosidad un botón con una luz tal como lo muestra la figura 77. Estos igualmente muestran la información de acuerdo con la fecha de medición y este mismo parámetro es el que permite la reorganización de cada dato. Figura 83. Página de condiciones para adquisición.

Fuente: Autores.

120

Figura 84. Página de visualización de la información.

Fuente: Autores,